From Pixels to Physicality: Wave-Mediated Interaction above a Screen
تقدم هذه الورقة لوحة بصرية-فيزيائية شفافة تستخدم الترشيح العكسي الزماني المكاني لتركيز الموجات فوق الصوتية مباشرة من سطح العرض، مما يتيح التغذية الراجعة اللمسية الديناميكية في الهواء وتلاعباً بالأجسام دون اعتراض منطقة الرؤية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
معظم الشاشات التي نستخدمها اليوم هي نوافذ تطل بنا على عالم من الضوء والألوان، لكنها تقف عند هذا الحد. فإذا أظهر مقطع فيديو كرة ترتد، تظل الكرة محبوسة داخل الزجاج؛ وإذا أطفأ شخص شمعة، يظل الهواء في الغرفة ساكناً. لعقود من الزمن، حاول العلماء سد هذه الفجوة، عبر ابتكار شاشات يمكنها دفع أو سحب أو لمس الهواء من حولها لجعل الأجسام الرقمية تبدو حقيقية. تستخدم بعض الأنظمة مئات السماعات الصغيرة غير الشفافة لبث موجات صوتية في الهواء، مما يخلق نقاط ضغط غير مرئية يمكنها رفع أجسام خفيفة أو الشعور بها بطرف الإصبع. ومع ذلك، فإن هذه الإعدادات التقليدية غالباً ما تحجب الرؤية أو تتطلب معدات ضخمة توضع بجانب الشاشة، مما يفصل بين الصورة المرئية والإحساس المادي.
وجد فريق من الباحثين في معهد كوريا للعلوم والتكنولوجيا طريقة لدمج هذين العالمين في ورقة زجاجية واحدة صافية. فقد طوروا لوحة شفافة لا تعمل فقط كنافذة للصور، بل كـمكبر صوت عملاق وغير مرئي يمكنه تركيز الموجات الصوتية في نقاط محددة في الهواء فوقها. ومن خلال تحويل سطح العرض بالكامل إلى مصدر للصوت، ابتكروا نظاماً يحدث فيه التفاعل البصري والمادي في المكان نفسه تماماً، دون وجود أي أجهزة معتمة تعترض الطريق.
يبدو الجهاز، الذي يسميه الباحثون "اللوحة الشفافة البصرية والفيزيائية"، مثل ورقة زجاج قياسية، ولكن به حلقة من المكونات الإلكترونية الدقيقة المثبتة على حوافه. عندما يرسل الباحثون إشارات كهربائية إلى هذه المكونات الطرفية، فإنهم يجعلون الزجاج يهتز بأنماط معقدة. تنتقل هذه الاهتزازات عبر الزجاج وتدفع الهواء، مما يخلق حزماً مركزة من الموجات فوق الصوتية. وبخلاف مكبر الصوت العادي الذي ينشر الصوت في جميع الاتجاهات، تستخدم هذه اللوحة طريقة حسابية متطورة لتوجيه الموجات الصوتية بحيث تلتقي في نقطة واحدة دقيقة في الهواء، تماماً كما تركز العدسة المكبرة ضوء الشمس. ولأن الزجاج نفسه يهتز لإنتاج الصوت، يظل منطقة المشاهدة بأكملها واضحة وغير محجوبة.
ولإنجاح هذا الأمر، كان على الباحثين حل مشكلة صعبة: وهي أن الموجات الصوتية تسلك سلوكاً غير متوقع أثناء انتقالها عبر الزجاج، حيث ترتد وتنتشر قبل أن تصل حتى إلى الهواء. وبدلاً من محاولة التنبؤ بكل منعطف وانعطاف باستخدام معادلة بسيطة، قام الفريق بقياس كيفية استجابة الزجاج بدقة لمختلف الإشارات الكهربائية. ثم استخدموا الحاسوب للعمل بشكل عكسي، وحساب النمط الكهربائي الدقيق اللازم لإلغاء الاهتزازات الفوضوية وإجبار الصوت على التركيز في بقعة مرغوبة. تسمح هذه العملية بإنشاء كرة ضيقة من الصوت عالي الضغط في منتصف الهواء، والتي يمكن تحريكها أو مضاعفتها حسب الحاجة.
وفي تجاربهم، أظهر الفريق أن هذا الصوت المركز قوي بما يكفي للقيام بعمل حقيقي. فقد وضعوا شريطاً رفيعاً من الورق على ارتفاع 50 ملم فوق اللوحة الزجاجية. وعندما ركزوا الصوت على الورقة، رفعت القوة غير المرئية الورقة في الهواء. وأظهروا أنه يمكنهم تحريك قوة الرفع هذه على طول مسار، لالتقاط سلسلة من شرائط الورق واحداً تلو الآخر، أو إنشاء نقاط رفع متعددة في نفس الوقت لحمل عدة أجسام في آن واحد. وقد وصل ضغط الصوت الذي ولدوه إلى ما يقرب من 1,000 باسكال، وهو مستوى كافٍ للتفاعل مادياً مع الأجسام خفيفة الوزن دون لمسها.
وإلى جانب تحريك الأجسام، استكشف الباحثون ما إذا كان بإمكان البشر الشعور بهذه القوى غير المرئية. فقد طلبوا من عشرة متطوعين وضع أيديهم فوق اللوحة مع ارتداء سماعات أذن لحجب صوت الاهتزاز. ومن خلال تشغيل الصوت وإطفائه بسرعة، خلقوا ضغطاً إيقاعياً يمكن للمشاركين الشعور به على جلودهم. لم يستطع المتطوعون اكتشاف اللمس فحسب، بل تمكنوا أيضاً من تحديد الاتجاه الذي يتحرك فيه الصوت، مثل الأعلى أو الأسفل أو اليسار أو اليمين، بدقة تجاوزت 94 بالمائة. وقد أثبت ذلك أن اللوحة يمكنها توفير شكل من أشكال اللمس يوجد في الهواء، بشكل مستقل عن سطح الشاشة.
جاء العرض النهائي ليجمع بين العناصر البصرية والمادية. فقد وضع الباحثون اللوحة الزجاجية فوق شاشة كمبيوتر قياسية وجهزوا صفاً من الشموع الصغيرة أمامها. وعلى الشاشة، عرضوا مقطع فيديو لشخص يقوم بالنفخ. وفي اللحظة التي ظهر فيها الشخص وهو ينفخ في الفيديو، ركزت اللوحة شعاعاً من الصوت على الشمعة الحقيقية المقابلة. كانت قوة الصوت قوية بما يكفي لإطفاء لهب الشمعة، مما خلق وهماً انسيابياً حيث تسبب الفعل الرقمي في نتيجة مادية في العالم الحقيقي. أظهرت هذه التجربة أن الشاشة يمكنها مواءمة ما تراه مع ما تشعر به وما يحدث في الغرفة، وكل ذلك دون وجود أجهزة معتمة تحجب الرؤية.
يؤكد الباحثون أن هذا النهج يختلف عن الطرق السابقة التي تعتمد على مصفوفات من مئات السماعات الفردية المعتمة. فهذه الأنظمة غالباً ما تتطلب وضع السماعات حول الشاشة أو استخدام شاشات خاصة يمكن أن تحجب الصورة. ومن خلال استخدام اللوحة الزجاجية نفسها كمصدر للصوت، يحافظ هذا التصميم الجديد على منطقة المشاهدة صافية تماماً. وبينما يعمل النظام الحالي بشكل أفضل مع الأجسام خفيفة الوزن ويتطلب معايرة دقيقة، فإن هذا العمل يثبت أن سطحاً شفافاً واحداً يمكن أن يعمل كنافذة للضوء وأداة للتلاعب المادي في آن واحد. إنه يفتح آفاقاً لشاشات المستقبل حيث لا يعود الحد الفاصل بين الصورة الرقمية والعالم المادي حاجزاً، بل مساحة مشتركة يمكن للصور من خلالها أن تصل وتلمس المشاهد.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.