3D声学显示始于另一部科幻小说：1960年代电视连续剧《星际迷航》中出名的牵引梁。自2012年以来，领导该团队的Sriram Subramanian开创了制作声波的方法，以创建可以捕获和移动小物体的高压点6。但是直到平山在2018年来到实验室时，团队才找到一种使用声音来创建图像的方法。
下面是在容器显示中的地球仪。使用0.025–20秒的曝光时间拍摄。（只有在0.1秒内绘制的图像在人眼中会显示为连续图像。
要显示为实心图片，粒子需要在不到十分之一秒的时间内创建每个图像帧。到现在为止，声悬浮往往集中于保持物体尽可能稳定。运动从一个稳定点到另一个稳定点，以停止-开始的方式相对缓慢地发生。论文作者平山的创新在于在磁珠静止之前将其踢出，在专门为计算而设计的硬件中计算每个新的目标点。这意味着该团队每秒可以改变该领域的焦点40,000次。平山说，这种珠子的速度高达每秒8.75米，当一个2毫米宽的珠子跨越几厘米的空间时，这“看起来像是隐形传送”。随着磁珠的移动，快速变化的LED会使显示屏浸入光中以产生色彩。
该团队的灵感来自Smalley的工作，该工作使用激光移动并照亮了纤维素植物纤维1的斑点。Smalley说，使用相同数量的粒子和数据，他的图像仅是Sussex团队的十分之一，但分辨率却是其十倍。
最近平山在Nature上更新了发表了他的最新期刊。
概述
科幻电影描绘的体积系统不仅提供视觉内容，还提供触觉和听觉的三维（3D）内容。基于掠体积上显示面，全息，optophoretics ，等离子体激元或透镜状小透镜无需眼镜或其他仪器即可创建3D视觉内容。但是，它们运行缓慢，视觉持久性有限，并且最重要的是，它们还依赖于不能产生触觉和听觉内容的操作原理。
在这里，我们介绍了多模式声阱显示器（MATD）：一种悬浮式体积显示器，可以使用声泳作为单一操作原理，同时传递视觉，听觉和触觉内容。我们的系统以声学方式捕获粒子，并在快速扫描显示体积时用红色，绿色和蓝色的光对其进行照明以控制其颜色。通过使用带有辅助陷阱的时分复用，幅度调制和相位最小化，MATD可以同时提供听觉和触觉内容。该系统显示的粒子速度高达8。垂直和水平方向分别为每秒75米和每秒3.75米，提供的粒子处理能力优于迄今为止展示的其他光学或声学方法。此外，我们的技术还为非接触式物质的高速处理提供了机会，并将其应用于计算制造中和生物医学。
扩展数据图和表格
扩展数据图1 MATD原型概述。
使用两个相对的16×16换能器阵列进行实验，这些换能器彼此顶部对齐且相距23.4厘米。
扩展数据图2使用的传感器的相位和幅度控制。
FPGA的方波输入a，用于通过控制传感器的相位延迟和占空比来驱动传感器的相位和幅度。b，传感器压力与占空比之间的非线性关系；测量（点）和分析逼近（线）。Ç，测量值由在示出的方波驱动的换能器的正弦响应一个。
扩展数据图3粒度和更新速率的初步表征。
a，用于测量颗粒的球形度和直径的相机设置。b，不同粒径的最大线速度。在所有图形中，标记均对应于实验值，而线表示拟合至数据的样条曲线。c，使用不同粒径的POV表示。d，所用直径为2毫米的颗粒的粒度分布和球形度。e，对于不同的更新速率和每种模式（OSTM，PSTM和PDTM），沿垂直（向下）路径的最大线性速度。
扩展数据图4速度测量设置。
a，照相机为运动的粒子拍摄长时间曝光的照片，并由LED以1 ms的步长对其进行照明。b，c，是在三种不同条件（OSTM，PSTM和PDTM）下在水平和垂直线速度测试期间捕获的图像。d，施加在位于悬浮阱周围的粒子上的水平和垂直辐射力的近似值，如使用Gor'kov势分析得出的近似值。
扩展数据图5速度，声阱与悬浮粒子之间的距离（Δp）和加速度。
a – c，在我们的速度测试期间沿水平（a），向上（b）和向下（c）方向测量的数据。
扩展数据图6：每种测试条件下MATD的颗粒控制性能测试的摘要。
a – c，每种模式（OSTM，PSTM和PDTM）的最大线性速度和加速度。路径表示悬浮陷阱的速度，而不是观察到的粒子轨迹。d，对于每个模式，粒子沿着半径增大的圆形路径遵循的最大线性速度。
扩展数据图7 MATD音频响应的频谱分析。
a，用于输入的信号：线性调频（左），250 Hz（触觉，中心）和在频域中组合的信号（右）。b，当仅创建声音时（左）以及使用幅度多路复用（中心）和组合信号（右）与触觉内容进行多路复用时的系统输出。c，位置多路复用对振幅多路复用信号（左）和我们的组合信号（右）的占空比为75％–25％的影响。d，应用于50％–50％占空比信号时位置多路复用的影响。
扩展数据图8 MATD支持的音频模式。
a，b两种不同模式（散射和定向）和声音测试的示意图。c，音频测量设置。d，e，模式的实测SPL分布。在水平和垂直平面上的两个条件下（仅声音和声音加触觉反馈）测量了SPL分布。
扩展数据图9触觉反馈的表征。
a，测量设置。b，使用的视觉内容以及触觉点。c，用硅胶手（KI-RHAND，来自Killer Inc. Tattoo）进行测量设置。d，针对我们每种情况进行的SPL水平和垂直扫描的结果，同时仅提供触觉反馈，触觉和视觉内容以及所有三种方式（触觉，视觉和音频）。e，在所有三种情况下，在有手的情况下进行垂直和水平扫描的结果。
扩展数据图10 MATD的其他应用程序。
a，以菱形图案同时悬浮六个EPS粒子（每个粒子的占空比为16.7％；到目前为止悬浮的最大粒子数）。b，c，以148 Hz的频率调制，以 从侧面捕获直径为2 mm的水滴时产生共振（n = 2）。
总结
百万颗粒显示器似乎还有很长的路要走。只有时间会证明该小组的方法是否会为获得此类数字铺平道路。在展示了他的领域有限的技巧之后，平山切断了扬声器的电源。拍打着的蝴蝶消失了，创造它的珠子掉落并在显示器的底部轻轻反弹。平山将其拾起并与其他数百个盒子放在一起，随时准备在稀薄的空气中创造魔法
论文源码下载地址：关注“图像算法”微信公众号 回复“matd”
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