曾几何时，能触摸的 3D 全息图还只是科幻电影中的想象场景，如今这一梦想已被科学家变为现实。西班牙纳瓦拉公立大学（UPNA）的研究团队在三维显示技术领域取得重大突破，成功开发出首款可触摸的 3D 全息图，让人们能够通过手势自然地与空中虚拟物体进行互动。

可触摸 3D 全息图的技术奥秘

传统的体积显示设备虽能在空气中呈现 3D 图像，但大多存在交互性不足的问题，且刚性扩散器在高速振荡时可能因接触人体而损坏或造成伤害。UPNA 团队的创新之处在于用弹性扩散器取代了传统的刚性扩散器，并精心测试了多种材料的光学和机械性能，解决了弹性材料变形带来的图像校正难题。

传统的体积显示技术（Volumetric Display）虽能在空气中呈现立体图像，却受限于两大核心问题：

1. 交互性缺失：商用原型（如 Voxon Photonics 产品）仅能 “观看” 而无法 “触摸”，用户无法直接用手与虚拟物体互动，沉浸感局限于视觉层面。
2. 刚性扩散器的隐患：传统设备采用刚性扩散器（高速振荡的薄片）投射图像，但振荡时若与人手接触，可能导致设备损坏或人体划伤，安全性与实用性不足。

UPNA 团队的创新突破点在于颠覆扩散器材质 —— 用 弹性扩散器（Elastic Diffuser）替代刚性材质，并通过多学科技术融合，解决了光学成像与机械交互的双重挑战。

该设备的工作原理是通过高速投影仪将图像同步投射到快速振荡的弹性扩散器上（每秒 2880 张图像）。借助人眼的视觉暂留效应，在不同高度投射的图像会被感知为一个完整的立体体积，从而形成悬浮在空中的 3D 图形。更令人惊喜的是，用户可以直接用手抓取、拖拽这些虚拟物体，实现如用食指和拇指捏住立方体进行移动和旋转，或用食指和无名指模拟腿部在虚拟表面行走等操作，交互体验自然直观。弹性扩散器的技术革新：

1.材质与结构设计

研究团队测试了多种弹性材料（如硅胶、弹性聚合物），筛选出兼具光学透明性（确保图像清晰）与机械柔韧性（承受手指按压不变形）的材料。最终采用的弹性扩散器厚度仅毫米级，可在高速振荡（2880 次 / 秒）中保持稳定，同时允许手指接触时发生可控形变。

2.动态图像校正算法

弹性材料在受力时会发生形变，导致投影图像扭曲。为此，团队开发了实时图像校正算法：

• 通过传感器实时捕捉扩散器的形变数据；
• 利用机器学习模型预测形变对图像的影响；
• 动态调整投影图像的像素分布，抵消形变导致的失真，确保用户看到的虚拟物体始终保持几何精度。

3.高速投影与视觉暂留原理

设备通过高速投影仪将二维图像序列投射到弹性扩散器上，每秒投射2880 张图像，配合扩散器在垂直方向的高速振荡（模拟不同高度的投影平面），利用人眼的视觉暂留效应（Persistence of Vision），使连续的二维图像在视网膜上融合为立体的三维体积图像。这种技术无需佩戴 3D 眼镜或头盔，即可实现裸眼 3D 效果。

自然交互的实现：从手势到触觉反馈

1.直接手势交互

用户可通过手部动作与空中全息图进行 “穿透式交互（Reach-Through Interaction）”：

• 抓取与旋转：用食指和拇指捏住虚拟立方体，通过手部旋转动作改变物体方向；
• 拖拽与缩放：手指接触虚拟物体后拖动，或通过双指开合调整物体大小；
• 多点触控：同时用多个手指模拟复杂操作，如用食指和无名指 “行走” 在虚拟平面上，控制虚拟角色移动。

2.触觉反馈的隐性设计

尽管当前技术尚未提供物理触觉反馈，但通过视觉 - 运动协同实现了拟真交互体验：

• 弹性扩散器受压变形时，虚拟物体的视觉反馈同步变化（如被按压的虚拟球体表面凹陷），利用视觉暗示让用户感知 “触摸” 的力度与位置；
• 结合音效（如物体碰撞声）增强交互沉浸感，形成多感官协同体验。

广泛的应用场景

这种可触摸的 3D 全息图在多个领域展现出巨大的应用潜力：

• 教育领域：能将复杂的机械结构以 3D 形式立体呈现，学生可以亲手拆解和组装发动机部件，让抽象的知识变得触手可及，极大地提升学习的直观性和趣味性。
• 协同合作场景：无需佩戴虚拟现实头盔，多个用户可同时与空中的 3D 图形互动，适用于远程会议中共同讨论设计方案、医疗团队协作进行手术模拟等场景。
• 文化娱乐领域：在博物馆中，参观者可以直接走近并触摸历史文物的 3D 全息复制品，获得更沉浸式的参观体验；在影视和游戏行业，也将带来全新的交互叙事方式。

研究背后的力量

这项研究是 InteVol 项目的一部分，由 UPNA 领导，并获得了欧洲研究委员会（ERC）的资助。研究团队由 Elodie Bouzbib 博士等多位专家组成，他们的成果已在 HAL 平台发表研究论文，相关视频也在 YouTube 上发布。此外，团队还将在 2025 年 4 月 26 日至 5 月 1 日于日本横滨举办的 CHI 2025 会议上展示该研究，届时微软、Meta、苹果、Adobe 等企业都将参会，共同探讨交互技术和设备的最新进展。

可触摸 3D 全息图的诞生，标志着人机交互进入了一个全新的维度。随着技术的不断成熟，它有望像智能手机一样融入我们的日常生活，在教育、医疗、娱乐、工业设计等领域掀起一场交互革命，让曾经只存在于科幻作品中的场景成为日常。