浅谈传感器技术在艺术领域的应用

吴晓平　马春利

摘  要：随着自动化技术的发展，艺术与科学的边界变得越来愈模糊了，越来越多的艺术作品开始转向科技寻求灵感。许多艺术家借助红外传感器、压电陶瓷传感器、触摸传感器等把环境的变化转化为电信号的变化，再通过Arduino等装置转换成变量输出形成不同的艺术效果，让这些艺术作品变成可以与观众交互的装置艺术。交互装置不仅艺术性强，更重要的是能与观众进行交流和互动，增加了其趣味性，丰富了我们的文化生活。

关键词：压力传感器;声音传感器;科技;交互艺术装置

现阶段，科技正以迅猛之势向前发展，其中自动化技术的发展带动了工业的巨大进步，同时也大大丰富了现代艺术的表现形式。自动化成为艺术作品和观众交互的主要手段，造型艺术不再是高高在上、无法交流的静止艺术作品。输入方式也从观众采用鼠标或键盘等发展到了现在的利用手势、声音、姿势、压力、脑电波等同艺术作品交流互动。同时，输出的方式也由原来的平面输出发展到多维立体输出以及与灯光效果和影音效果相结合。这一切都得益于传感器的使用。传感器就像整个艺术装置的感觉器官，它感受外界信息，处理人类与之互动的信息，将处理好的信息输送给计算机或者控制器，再发送相应的指令给执行装置，从而呈现出不同的艺术效果。

一、传感器的简介

传感器是一种检测装置，由敏感元件和转换元件组成，能够感受到被测物理量的微小变化，并将这种物理量按照一定的规律变换成方便传送和处理的信号（如电流、电容、电阻等）或其他形式信息的一种装置或器件。传感器具有低耗能、轻量化、小体积的特点。目前，传感器已经不仅应用于航空、汽车、医疗、物流、机器人等领域，也开始应用在艺术设计领域，艺术领域中常用的有红外传感器、超声波传感器和压力传感器等。

（一）红外传感器

凡是感测自身温度大于绝对零度的物体都向外辐射红外线。红外传感器通过感测物体辐射的红外线并进行数据处理。当传感器检测到有红外输入时，就给工作电路一个启动信号，使工作电路开始工作，人类也会向外辐射红外线。它灵敏度很高，常用于无接触温度测量。生活中感应充电器、红外报警器、自动门、感应水龙头等都是利用红外线传感器进行工作的。

（二）超声波传感器

超声波是声波的一种，其频率高于人耳的接受频率上限，它方向性和穿透性较好，在空气中的传播速度一般为340m/s。超声波传感器通过计算回声传播的时间进行距离测量，机器人和倒车雷达等通常用超声波传感器进行距离测量，以达到降低碰撞机率的目的，它可以在艺术作品中用作智能避障。

（三）压电陶瓷传感器

压电陶瓷传感器的内部的核心元件是一种具有压电效应的功能陶瓷材料，它的特点是可以将压力等机械信号转换成电信号，当艺术作品中的压力传感器遭到挤压、敲击、碰撞等外力作用时，内部的敏感陶瓷片就会发生形变，陶瓷片形状的改变引起内部的正负电荷中心位移，使传感器的内部产生电压，相当于电源，这样就可以在受到外界压力时点亮艺术作品与人互动。

（四）加速度传感器

加速度传感器是可以测量物体运动加速度的传感器，利用牛顿第二定律“F=ma”可以获得加速度值。当物体受到外力作用，它可以利用内部电容距离的改变量，计算出物体此时的加速度。

（五）触摸传感器

在现代生活中，电容式触摸屏传感器是我们最常接触到的传感器，它可以分为电阻式和电容式两种，触摸开关的使用就是一个典型的例子，当有人触摸传感器时，传感器的内部电容就会产生变化，当这种变化超过一定范围时，控制器就被输入相应的电压信号并做出不同的反应。在艺术作品中常用触摸传感器控制艺术作品的执行机构动作。

（六）声音传感器

声音传感器里安装了对声音敏感的驻极体薄膜，它能感测外界的声音信号，振动的声音引起薄膜的振动，导致内部的电容发生变化，从而产生与之相对应的微小电压。在麦克风、楼道声控灯、手机以及其他电器中都安装有声音传感器。艺术家通过把声音传感器安装到艺术作品中，就可以把声音的大小变化转换为灯光的变化，呈现不同的艺术效果。

（七）环境光线传感器

环境光线传感器可以感知周围光线变化，它的核心元件有光敏电阻、光敏二极管、光电三极管等，例如光敏电阻的阻值大小会随着外界环境光线的变化而变化，亮度增加时阻值降低，亮度降低时阻值增大，通过阻值的变化进而调节电路的电流变化。经过放大的电流就会借助电路里的其它设备使得设备执行工作。当一个灯光设备亮起来时，周围的光线传感器会因为光照强度的增强也会跟着发光，由此及彼形成丰富的艺术效果。

二、传感器在艺术领域的具体应用

（一）《户外音乐楼梯》和《人体重力感应脚踩音乐互动灯》

《户外音乐楼梯》为一件重力感应型的公共艺术作品，设计师将楼梯设计成一个钢琴键盘的形式，在上下楼梯的同时人们还能享受生动优雅的音乐。设计师在每一层钢琴楼梯的下面铺装有压敏传感器、扬声器和灯光装置。当压力传感器接收到人们上下楼梯时的压力，就会将这种信号转化成电信号，然后通过扬声器发出声音信号，人们就可以听到悦耳的音乐了。压力传感器给扬声器传递信息的同时也会触动led灯光装置，不同的音符再配合多彩的灯光效果，上楼梯动作也变得有趣，每步都像在敲击乐器的按键，带来有趣的视听体验。与此相类似的还有人体重力感应脚踩音乐互动灯（如图1），该设备将编程好的设备放置在踩灯下，作为控制灯的开关。利用压力传感器，把人的重力转化为控制灯亮暗程度的信号，同时还可以根据踩踏频率变换灯的颜色。

（二）《圣堂的背叛》

知名先锋艺术家Chris Milk在其作品中大量运用传感器技术，并因此与观众构建互动关联，《The Treachery of Sanctuary》（圣堂的背叛）是Chris Milk最出名的作品，这件作品有一潭静水池，另外还有三片白色幕布。当观众进入水池前的区域后，观众的影子就会出现在某个白幕上，当在第一片幕布上时会出现很多的小鸟，伸手触摸幕布上方的鸟群时，影子或会幻化成无数只小鸟融入鸟群。在第二片幕布上时影子会被鸟群吞噬，当在第三片幕布时影子会变成拥有翅膀的天使，每块幕布的展示內容不同。三块白幕通过Kinect体感监控探头和红外传感器组件捕捉用户的体态和动态数据信息，利用Unity 3D游戏开发环境，通过open Frameworks创意编码平台，处理传感器提供的数据并建立与之相对应的模型，形成与观众相关的投影效果和互动场景。

（三）《盛放的花朵》

《盛放的花朵》（如图2）由HQ Architects团队设计，它是耶路撒冷政府为了改善这个城市的公共空间而设计的，它位于以色列耶路撒冷中心区域的Vallero Square广场上。它不仅是一个交互艺术装置，还是一个智能的花朵路灯。该作品共包含4个红色巨型花朵，每一朵都高达9米多，两个为一组，位于道路两旁的关键位置。无人经过时，它们看起来像凋零的花朵，当感应到下方有物体移动迹象时，花蕊部分的红外传感器就会驱动充气装置自动充气，花朵随之慢慢绽放。当物体离开之后，花朵就会因为放气而合拢，烈日下，它可以为人们遮阳。夜幕降临后，环境光线传感器又发出信号使花蕊的照明装置散发光芒，花朵路灯的盛开和合拢充满人情味和艺术气息，美观且节能。

（四）上海世博会的《魔方》和德国展馆

上海世博会企业馆被称为“魔方”，它的整个建筑外墙采用镂空结构，外墙的颜色随外界声音的变化而改变，能够产生五彩缤纷的魔幻效果。它的建筑外墙是由3米厚的聚碳酸酯塑料管构建，此材料透明且可再生，在这些透明塑料管中安装色彩斑斓的LED灯和声音传感器，它可以捕捉观众呐喊声或者鼓掌声的力度和速度，然后转换成芯片可识别的数字信号，再通过可编程的软件设备使LED呈现神奇的灯光效果。

上海世博会的德国馆展厅中有一个巨大的金属球悬挂于空中。当有外来声响时，隐藏于球体中的声音传感器可以检测到外界的声音信号。在转换成电信号的同时启动内部的机械装置使金属球摆动，球体会向声音大的一方靠近，观众喊的声音越齐、越洪亮，金属球产生的能量也就越大。同时球面的图像和色彩也会跟着声音的变化而变化，增强与群众的互动性。

艺术装置《I LUME》由很多悬挂在空中的灯泡组成，它通过声音传感器控制灯的开关，观众可以通过拍手或者笑声来控制灯的亮灭。有的艺术装置还有许多会煽动的蝴蝶。当观众对着装置艺术作品吹气，隐藏在内部的声音传感器可以感测吹气的时间长短和声音大小，进而驱动控制器使蝴蝶煽动翅膀，翅膀闻声而动，声停则止。

（五）《抵抗与共振卵形体》（Resisting and Resonating Ovoids）

《抵抗与共振卵形体》是 Team lab艺术设计团队为日本福冈城创作的作品，它被放置在古城遗址的草坪中。《Resisting and Resonating Ovoids》是一个会抵抗、会呼应的卵球体。当这个会发光的“卵球体”被推倒之后，它的颜色也会随之改变，同时能够发出特殊的音色。它呈现的灯光效果与福港城遗迹周围树木丛生的环境相互呼应，周围的树木和石墙都被染了色。这个互动装置艺术作品是通过压力传感器来感知人的行为。作品意义在于希望作品与观众和自然环境对话，从而让大众关注和感知空间中的人和物。

三、结语

科技改变了生活，也改变着艺术家的创作思路。李政道先生曾说过：“科学与艺术就像是一个硬币的两面”，看似独立的两面却相互影响、相互促进，其实谁也离不开谁。未来科技的发展会更加迅速，艺术中也会融入更多的科学成果。科学与艺术相互作用，科学的不断发展为艺术提供更多可能的空间，反过来艺术也可以为科学发展提供启发。那些曾经异想天开的艺术想法随着科学的发展也逐渐地变为现实。新材料的发现和电磁学的发展使传感器应用在生活的方方面面。当这些新发明应用于艺术设计中时，艺术也变得更加缤纷多彩。传感器技术介入艺术作品，使观众可以走近艺术成为交互艺术作品的一部分，使艺术的表现形式更加多样、不拘形式，使艺术家的想象得到更好的发挥。跨界融合、数字媒体、新材料等的广泛运用使艺术来到我们身边，艺术变得更为亲切、有趣、魔幻。将来，传感器的应用还将为艺术的发展打开一片更为广阔的新天地。

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作者简介：

吴晓平，郑州轻工业大学研究生。研究方向：公共艺术。

马春利，郑州轻工业大学研究生。研究方向：包装设计、可拓学。