Проецирование голограмм в воздухе и даже взаимодействие с ними... Эта идея звучит как старая научная фантастика. Однако теперь это стало гораздо более реальным благодаря достижениям группы ученых из Университетского колледжа Лондона. Для этого они усовершенствовали технику, которая позволяет левитировать объекты, управляя ультразвуковыми волнами.
На изображениях их экспериментов можно увидеть 3D-печатную статуэтку кролика, увенчанную трехмерной проекцией того же животного, парящего в воздухе. Устройство может показаться безобидным, но это небольшое технологическое достижение. Не совсем из-за самой проекции или даже из-за того, что она левитирует. На самом деле, технология, позволяющая сделать этот удивительный показ, уже существовала. Настоящая новизна заключается... в наличии статуэтки кролика. Это странное заявление заслуживает некоторого объяснения!
Уже несколько лет ведутся исследования по так называемой "акустической левитации". Принцип относительно прост. Он предполагает использование давления, создаваемого звуковыми волнами, для левитации объектов. Звуковые волны - это "вибрации", которые распространяются, воздействуя на среду, в которой они испускаются. В частности, они могут создавать давление различной степени.
Ученые постепенно научились рассчитывать и создавать идеальные конфигурации для "формирования" звуковых волн, чтобы они могли левитировать объекты и даже манипулировать ими в воздухе. В 2019 году исследователи из Сассекса уже использовали этот метод для создания системы визуального отображения на основе этой технологии. "Последние достижения в области высокоскоростной акустической голографии позволили создать объемные дисплеи на основе левитации с тактильными и звуковыми ощущениями", — объясняет команда Университетского колледжа Лондона. Использование этого давления воздуха позволяет создать "тактильную обратную связь" с проецируемыми формами.
Однако одним из ограничений этой системы является то, что она до сих пор была применима только в пространствах, где нет препятствий. В присутствии мешающих объектов звуковые волны могут быть легко рассеяны, что нарушает баланс, необходимый для поддержания и контроля левитации. Это препятствие было частично преодолено благодаря исследованию, проведенному командой из Университетского колледжа Лондона. Они создали алгоритм, который корректирует рисунок звуковых волн при столкновении с препятствием достаточно быстро, чтобы удержать объект в воздухе.
10 000 регулировок в секунду
Благодаря этому прорыву акустическую левитацию можно использовать в тесных помещениях или на неровных поверхностях. Ученые использовали 256 небольших корпусов, расположенных в очень точной сетке, для получения ультразвуковых волн, настроенных на нужную операцию. Когда результирующие звуковые волны сталкиваются с препятствием, алгоритм очень быстро перестраивает их форму, чтобы они сохранили свою целостность. "Наша техника включает в себя двухступенчатую модель рассеяния и упрощенный алгоритм левитации, которые вместе могут выполнять более 10 000 обновлений в секунду для создания объемных изображений над и под статичными объектами, рассеивающими звук", — говорят ученые.
(A) Техника позволяет создавать несколько "левитационных ловушек" и манипулировать ими по отдельности (на рисунке 10 ловушек). (B) Ловушки могут быть созданы даже под препятствиями, рассеивающими звук, с помощью рассеянных волн. (C) Материалы, которыми можно манипулировать в воздухе, включают как твердые тела, так и жидкости (капля воды левитирует). (D) Модель рассеяния также работает на рассеивающих поверхностях жидкостей.
Как бы невинно это ни казалось, но знаменитый кролик, упомянутый в начале этой статьи, является тем самым знаменитым "препятствием", которое доказывает их успех. В одном из экспериментов, не лишенном поэтичности, они летали на светящихся "крыльях", сделанных из маленьких шариков, движениями которых управлял один из ученых.
Светящиеся "крылья" из маленьких левитирующих шариков рядом с 3D-печатным кроликом.
Чтобы проверить их способность отображать более сложные изображения, они также левитировали тонкую полупрозрачную ткань в качестве "экрана", на который они наносили отпечатки движений, проецируя на него изображения, в результате чего поверх 3D-печати появлялась своего рода "голограмма" кролика, которая оставалась неподвижной.
Наконец, они также левитировали каплю жидкости над стаканом с водой. Целью было продемонстрировать, что их метод работает и с деформируемым элементом, над поверхностью, которая сама по себе сложна для восприятия, поскольку она деформируется именно под воздействием звука. Эти тесты в целом были убедительными, но исследователи подчеркивают, что в управлении движущимися препятствиями еще предстоит добиться прогресса. Это барьер, который они логично хотели бы снизить, поскольку они могут представить, что их исследования могут быть применены, например, в проекционных системах на выставках. Помимо развлечений и культурных мероприятий, ученые также упоминают различные полезные применения. Например, в области химии можно было бы использовать акустическую левитацию для смешивания продуктов без необходимости прикасаться к ним или даже приближаться к ним.
