Onde sonore per i display in 3D del futuro


20 Novembre 2019 - Grazie alla tecnica della levitazione acustica, un sistema interattivo produce immagini sospese nello spazio proiettando i colori su piccole sferette che fluttuano nello spazio ad alta velocità in modo controllato. L'obiettivo è produrre scritte e grafiche di grandi dimensioni, visibili da qualunque angolazione, anche con un piccolo dispositivo
Grazie alla tecnica della levitazione acustica, un sistema interattivo produce immagini sospese nello spazio proiettando i colori su piccole sferette che fluttuano nello spazio ad alta velocità in modo controllato.  L'obiettivo è produrre scritte e grafiche di grandi dimensioni, visibili da qualunque angolazione, anche con un piccolo dispositivo

Per traghettare verso il futuro la tecnologia della visione, a volte può aiutare fare un po' di rumore. Alcuni ricercatori hanno sfruttato le onde acustiche per ottenere immagini tridimensionali in levitazione, creare una sensazione tattile e persino produrre una traccia audio.

Dagli anni quaranta, gli scienziati hanno giocato con il concetto di levitazione acustica, l'uso delle vibrazioni delle onde sonore per tenere piccoli oggetti a mezz'aria. La tecnologia ha acquisito maggiori capacità negli ultimi dieci anni, consentendo ai sistemi acustici di spingere e tirare piccole particelle come se fossero fasci di tiranti sonori. Alcuni ricercatori ritengono che questo miglioramento potrebbe portare ad applicazioni come miscelare o separare granuli di polvere, far svolgere piccole reazioni chimiche in isolamento, contribuire a nuovi metodi di stampa in 3D o creare display che sarebbero visibili da qualsiasi angolazione.

Questo tipo di display è definito volumetrico: a differenza della tecnologia olografica, può creare un'immagine senza necessità di uno schermo e può essere visualizzato da tutti i lati. Può essere immaginato come il messaggio che C1-P8 trasmette alla Principessa Leila in un film molto famoso.

"Mi piace la cosa di Star Wars", afferma il coautore dello studio Ryuji Hirayama, ricercatore dell'Università del Sussex, in Inghilterra. Hirayama e i suoi colleghi hanno prodotto le loro immagini fluttuanti con un sistema che chiamano display multimodale a trappola acustica (MATD). Si presenta come una scatola di 10 centimetri con lati aperti e una parte superiore e una inferiore costituite da schiere di piccoli diffusori acustici (512 in tutto). Questi diffusori emettono schemi di onde sonore nel dominio degli ultrasuoni, troppo acuti per essere uditi dall'orecchio umano, in grado di produrre vibrazioni nell'aria in grado di spostare una sferetta di plastica leggermente più piccola di un seme di sesamo.

Mentre la sferetta volteggia nell'aria secondo schemi programmati, i ricercatori proiettano su di essa colori variabili. "Illuminiamo quella particella levitata usando LED RGB – rosso, verde, blu – in modo da poter controllare il colore della luce diffusa", afferma Hirayama. Grazie alla sua alta velocità – la particella può sfrecciare verticalmente a quasi nove metri al secondo e orizzontalmente a quasi quattro – il punto luminoso illude l'occhio umano facendogli percepire un'immagine continua. Questo fenomeno è noto come persistenza della visione. Lo stesso principio consente un trucco visivo spesso visto durante gli spettacoli pirotecnici, quando un fuoco d'artificio lascia tracce luminose mentre si muove nel cielo notturno. La nuova tecnica di visualizzazione volumetrica è illustrata su “Nature”.

Anche altri ricercatori hanno lavorato su display visivi che usano la levitazione acustica: un team giapponese ha usato un gran numero di minuscole particelle come una sorta di luccicante schermo di proiezione. E in un articolo pubblicato lo scorso agosto su “Applied Physics Letters”, i ricercatori hanno descritto un sistema simile al progetto dell'Università del Sussex.

Eppure, secondo un coautore dello studio di agosto – Asier Marzo, ricercatore dell'Universidad Pública de Navarra, in Spagna – il nuovo sistema dell'Università del Sussex è più avanzato di qualsiasi precedente prototipo. "I loro risultati sono di gran lunga migliori dei nostri", afferma Marzo. “Nell’articolo che abbiamo pubblicato tre mesi fa, la nostra particella non raggiungeva nemmeno un metro al secondo. E nel nuovo articolo pubblicato da questo gruppo del Sussex, penso che si possano raggiungere i nove metri al secondo. Ed è per questo che giudico i risultati sorprendenti".

Oltre agli elementi visivi, il sistema può anche produrre un rumore udibile per associare al display una traccia audio. E i diffusori a ultrasuoni possono anche concentrare le vibrazioni in un punto in modo che un dito possa sentire una sensazione di spinta all'indietro, un po' come se l'oggetto rappresentato dall'immagine fluttuante fosse davvero lì. "Abbiamo creato un display 3D che possiamo vedere e toccare", afferma Hirayama. "In questo articolo, combiniamo queste tre modalità: stiamo usando gli ultrasuoni, ma possiamo creare contenuti visivi, tattili e audio allo stesso tempo". Questo triplice approccio potrebbe produrre, per esempio, un allarme sonoro e luminoso che si potrebbe resettare con il semplice tocco di un dito.

E difficilmente una sveglia sarà l'unica potenziale applicazione. "Un display senza schermo è straordinariamente versatile e utile", afferma Daniel Smalley, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso la Brigham Young University, che ha esaminato l'articolo del Sussex per “Nature” ma non era coinvolto nella ricerca. "Significa che tutti in una stanza possono vedere l'immagine, da qualsiasi prospettiva o posizione, ed è estremamente utile."

Come sistema di comunicazione, un simile display potrebbe un giorno consentire agli utenti di chattare con una proiezione 3D di una persona che potrebbe girare la testa per seguirli mentre si muovono in una stanza. Hirayama suggerisce anche che la tecnologia potrebbe essere utilizzata per visualizzare dei dati a mezz'aria. Per esempio, sottolinea Smalley, una visione tridimensionale dei satelliti che circondano la Terra fornirebbe un'idea più intuitiva di come è distribuita la spazzatura spaziale e di come gli astronauti potrebbero evitarla.

Anche se sono state utilizzate varie tecniche per produrre display volumetrici, Smalley ritiene promettente la levitazione acustica. "Questo particolare display è interessante perché è molto più vicino alla commercializzazione rispetto ad altri tipi di display volumetrici nello spazio libero", afferma. "Usano componenti disponibili sul mercato e hanno dimostrato che il display non ha troppa inerzia. La mia impressione era che quell'approccio sarebbe stato troppo inerziale per funzionare alle frequenze tipiche della persistenza della visione, ma hanno dimostrato con questo articolo che non è così”.

"Il display richiederà molto più lavoro prima di poterlo installare nel salotto di casa, tuttavia. "Finora, tutto si è svolto in laboratorio", sottolinea Marzo. “E penso che dobbiamo darci dentro ancora un po'. Dobbiamo fare più analisi, più simulazioni, per vedere se può avere senso creare un display reale, che le persone possono tenere a casa." Il sistema attuale può mostrare solo una grafica semplice, come una faccina sorridente o una figura a otto, in tempo reale (anche se può produrre l'immagine più dettagliata di un globo che gira quando viene filmato con una fotocamera che ha una bassa velocità dell'otturatore). Per dimostrare elementi visivi più dettagliati, come un grafico o una visualizzazione 3D dei satelliti intorno alla Terra, dovrebbe muovere le sferette a una velocità decisamente più elevata. "Ci si potrebbe chiedere perché rendere le particelle più veloci sia un bene per il display", afferma Marzo. “È perché la velocità della particella determina la dimensione e la complessità della grafica che è possibile visualizzare."

Tuttavia, Smalley è ottimista sul potenziale di questo tipo di tecnologia. Se il sistema avesse solo una superficie coperta da altoparlanti invece di due, suggerisce, potrebbe generare immagini più grandi del dispositivo stesso. "Non è possibile creare un'immagine televisiva più grande del televisore, e anche un proiettore deve avere uno schermo di proiezione più grande dell'immagine stessa", afferma. Ma con un display volumetrico, un piccolo dispositivo portatile potrebbe produrre un'immagine molto più grande. "In futuro, si può immaginare di avere display volumetrici negli orologi, per esempio, che creano immagini di grandi dimensioni che vengono proiettate semplicemente fuori dal proprio orologio". O forse dal proprio droide di Star Wars.

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L'originale di questo articolo è stato pubblicato su lescienze.it



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