Шрирам Субраманян, профессор и специалист по взаимодействию человека с компьютером, в стенах The Royal Institution демонстрирует, как современная наука воплощает в жизнь мечты о «магической» левитации. Используя ультразвуковые волны, его команда научилась не только удерживать предметы в воздухе, но и создавать мультимодальные голограммы, которые можно услышать и почувствовать на ощупь.
🪄 От магии к физике: как заставить предметы летать 1:31
Левитация в экспериментах профессора Субраманяна — это не фокус, а результат манипуляции звуковыми волнами. В основе процесса лежит управление фазой волны — характеристикой, определяющей путь волны от начальной точки до её пика.
Для создания простейшей левитации достаточно двух излучателей (трансдьюсеров), направленных друг на друга. Они создают паттерн стоячей волны, в узлах которой могут удерживаться легкие объекты. Шрирам Субраманян подчеркивает, что для этого подходят любые частоты, но в его работе используются массивы из множества ультразвуковых динамиков.
Ключевые особенности используемой установки:
- Частота: 40 кГц — ультразвук, который находится за пределами человеческого слуха.
- Индивидуальный контроль: система позволяет управлять каждым динамиком в массиве отдельно, задавая специфические задержки фаз.
- Стабильность: для удержания частицы необходимо создать «ловушку» — точку, где все акустические силы сходятся в одной точке, минимизируя амплитуду давления.
🖐️ Аналогия «пальцев» и математика звука 4:03
Шрирам Субраманян использует наглядную аналогию для описания акустической ловушки: звук действует подобно человеческим пальцам, которые сжимают объект. Ученый выделяет два ключевых условия для успешной левитации: схождение всех сил в одной точке и стабильность этой точки.
Расчет сил, действующих на малую частицу (меньше длины волны звука), производится с помощью потенциала Горькова (Gor'kov potential). По словам профессора, это нелинейная задача оптимизации, которая позволяет вычислить различные типы ловушек:
- Twin Trap — два «пальца», зажимающие объект.
- Vortex Trap — вихревая ловушка, вращающая объект.
- Bottle Trap — «бутылочная» ловушка, полностью окружающая частицу звуковым полем.
Профессор Субраманян утверждает, что левитация — это не просто задача оптимизации, а двухшаговый процесс: расчет точки фокуса и наложение на нее специфической «сигнатуры» ловушки. Такой подход, базирующийся на принципах интерференции и суперпозиции, делает вычисления крайне эффективными.
⚡ Сверхскорость: 40 000 кадров в секунду 11:10
Одним из главных достижений команды Субраманяна стала скорость обновления звукового поля. Система способна пересчитывать фокальные точки со скоростью 40 000 раз в секунду.
Эта скорость дает уникальные возможности:
- Иллюзия формы: частица перемещается настолько быстро, что человеческий глаз перестает видеть отдельный шарик пенопласта и воспринимает цельную световую фигуру или контур объекта.
- Мультимодальность: благодаря высокой частоте обновления система может одновременно удерживать объект, создавать тактильные ощущения (хаптика) и модулировать звук.
- «Жонглирование» звуком: система может на мгновение «отпустить» частицу, выполнить другую задачу (например, послать тактильный импульс в руку пользователя) и снова поймать объект до того, как он начнет падать под действием гравитации.
🧤 Осязаемый звук и «поющие» объекты 12:31
В ходе демонстрации волонтеры описывают ощущения от ультразвукового поля как «щекотку» или «легкий ветерок» в ладони. Профессор Субраманян объясняет, что это и есть акустическая хаптика — передача осязаемой информации на расстоянии.
Еще более впечатляющим выглядит эффект «поющего» объекта. Хотя сами динамики излучают только неслышимый ультразвук, амплитудная модуляция позволяет накладывать аудиосигнал на несущую частоту. В результате кажется, что звук исходит непосредственно от левитирующей частицы — она начинает «говорить» или «петь».
🖼️ Акустическая голография: наследие Денниса Габора 16:28
Шрирам Субраманян проводит параллель между своей работой и достижениями Денниса Габора, который получил Нобелевскую премию за изобретение оптической голографии и выступал в The Royal Institution ровно 65 лет назад.
Проблема создания сложного акустического изображения является «обратной задачей»: ученые знают, какую форму хотят получить, но не знают, какие сигналы должны посылать динамики. Поскольку амплитуда динамиков обычно выставляется на максимум для сохранения энергии, единственным рычагом управления остается фаза.
Для решения этой задачи используется алгоритм Гершберга — Сакстона (Gerchberg-Saxton algorithm), появившийся в 1976 году. Процесс выглядит так:
- Берется случайная догадка о фазах.
- Поле распространяется до цели.
- Полученный результат сравнивается с целевым изображением.
- Вносятся корректировки, и расчет повторяется в обратном направлении (к излучателям).
- После 25–30 итераций алгоритм сходится к финальному решению.
По словам профессора, преимущество акустики перед оптикой заключается в возможности контролировать и фазу, и амплитуду каждого источника, что значительно ускоряет работу.
🦋 Левитация сложных объектов и борьба с отражениями 21:41
Левитация не ограничивается маленькими шариками. Ученые продемонстрировали возможность подъема целых конструкций, например, бумажной бабочки, к которой прикреплены пенопластовые опоры. Интеграция с игровыми движками позволяет анимировать такие объекты, заставляя их двигаться подобно живым существам.
Однако левитация внутри пространства, где уже находятся другие предметы, представляет сложность: объекты отражают и рассеивают звук. Чтобы решить эту проблему, команда Субраманяна использует метод граничных элементов (boundary element method):
- Объект разбивается на тысячи маленьких треугольников.
- Для каждого вычисляются отражения звука.
- Если объект статичен, эти данные вычисляются заранее и хранятся в памяти, что позволяет частицам левитировать даже в ограниченном, сложном пространстве (например, под «животом» игрушечного кролика).
🚀 От консолей до медицины: сферы применения 27:10
Технология уже выходит за пределы лабораторий. Профессор Субраманян выделяет несколько перспективных направлений:
- Гейминг и VR: создание ощущения физического контакта с виртуальными объектами (например, чувство удара по мячу в теннисе без специальных перчаток).
- Автомобильная индустрия: бесконтактные интерфейсы на приборных панелях, которые водитель может почувствовать пальцами, не отвлекаясь от дороги.
- 3D-печать: возможность бесконтактной печати в любом направлении (омнидирекционально) и смешивания различных материалов, включая биологические образцы.
- Сельское хозяйство: автоматизированная сортировка семян.
Кейс: Томаты и золото
Профессор приводит удивительный факт: семена томатов по стоимости сопоставимы с золотом. Фермерам критически важно, чтобы все семена в партии прорастали одновременно. Акустическая платформа позволяет индивидуально инспектировать каждое семечко, выстраивать их в ряды для визуального анализа и сортировать по разным контейнерам, не повреждая их механическим воздействием.
В завершение лекции Шрирам Субраманян выражает уверенность, что будущее акустической левитации — в полном контроле над физической материей в трехмерном пространстве без какого-либо механического контакта.
