Ультразвуковые излучатели превратили воздушный шарик в интерфейс ввода-вывода

Японские инженеры создали интерактивный стенд, в котором воздушный шарик выступает как элемент интерфейса. Он окружен ультразвуковыми излучателями, которые создают внутри стенда такое поле давлений, чтобы шарик находился или перемещался в нужную точку пространства. Статья о разработке была представлена на конференции SIGGRAPH Asia 2020.

В последние годы инженеры часто используют массивы ультразвуковых излучателей для манипуляции объектами, как правило, для акустической левитации. Эффект ультразвуковой акустической левитации заключается в том, что из-за интерференции акустических волн в воздухе образуются статичные зоны с повышенным и пониженным давлением, и небольшой и легкий предмет может находиться в зоне с пониженным давлением, не падая вниз. Как правило, акустическую левитацию применяют для небольших предметов, чаще всего для полистирольных шариков. Также массивы ультразвуковых излучателей можно использовать для создания направленного акустического давления и манипуляции большими предметами, в том числе воздушными шариками.

Эти технологии стали развиваться лишь недавно и пока их будущее применение не до конца ясно. Многие заметные прототипы в этой области — это объемные или псевдообъемные дисплеи, отображающие изображения в воздухе. Также в прошлом году немецкие инженеры представили прототип бесконтактного дисплея Брайля, в котором точки формируются благодаря концентрации акустического давления.

Инженеры Токийского университета под руководством Хироюки Синода (Hiroyuki Shinoda) создали на основе ультразвуковых излучателей прототип устройство ввода-вывода с тактильной отдачей. Прототип представляет собой большой стенд с рамой, на которой закреплено 11 массивов ультразвуковых излучателей (по 249 излучателей в каждом). На задней стороне рамы (противоположной от пользователя) установлено две камеры: вместе они образуют стереокамеру, которая в реальном времени отслеживает положение воздушного шарика. Алгоритм управления в реальном времени рассчитывает такие параметры для каждого массива излучателей, чтобы внутри стенда образовалось поле давления, двигающее шарик в нужное место.

Авторы выбрали в воздушный шарик с гелием размером 10 сантиметров, чтобы пользователь мог хватать его рукой и перетаскивать. В зависимости от конкретного применения это можно использовать, к примеру, как ползунок прокрутки или как другой элемент интерфейса. Также стенд может сам выводить информацию, перемещая шарик. Авторы показали, как он может плавно нарисовать в воздухе круг.

В 2019 году эта группа инженеров уже показывала стенд с ультразвуковыми излучателями, перемещающими воздушный шарик, но тогда они использовали более простую схему с параллельными массивами излучателями, которая дает меньшую точность и скорость перемещения шарика. Однако в ней также использовался проектор, который выводил на поверхность шарика изображение и в реальном времени компенсировал его движение.

Григорий Копиев