Hologramm wird fühlbar

„Holodeck“-Technik wird real: Forscher haben Hologramme entwickelt, die bewegte 3D-Bilder mit Sound und taktilem Feedback kombinieren. Wenn man in ein solches Hologramm hineingreift, spürt man einen Widerstand und ein Kribbeln, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature“ berichten. Möglich wird dies durch akustische Levitation: Ultraschallwellen bewegen winzige angeleuchtete Partikel und erzeugen gleichzeitig Töne und Tasteindrücke.

Ob das Holodeck der „Star Trek“-Raumschiffe oder die Projektion von Prinzessin Leia im ersten „Star Wars“-Film: In der Science-Fiction sind Hologramme fast alltäglich, doch bisher hinkte die Wirklichkeit dem hinterher. Zwar gibt es bereits Lasertechnologien, die holografische Videos und Hologramme mit erstaunlich großer Tiefenschärfe erzeugen können. Auch freischwebende Projektionen wie im „Star Wars“-Film haben Forscher schon entwickelt.

Hologramm eines rotierenden Globus, erzeugt mithilfe der akustischen Levitation. © Eimontas Jankauskis

Hologramm wird multimodal

Doch eine entscheidende Komponente fehlte bisher: Die Hologramme waren nicht taktil. Während man im „Holodeck“ der Science-Fiction-Raumschiffe mit den Projektionen interagieren und sie spüren kann, fehlte bisherigen Hologrammen dieses taktile Feedback. Auch die Kombination mit einem dreidimensionalen, vom Hologramm ausgehenden Sound war bislang nicht ohne weiteres möglich.

Jetzt jedoch haben Ryuji Hirayama von der University of Sussex und seine Kollegen dieses Manko behoben. Sie entwickelten ein Hologramm, das sowohl 3D-Sound als auch ein taktiles Feedback erzeugt. Basis ihres „Multimodal Acoustic Trap Display“ (MATD) ist die Methode, die 2018 die freischwebenden Projektionen ermöglichte. Bei dieser werden winzige Partikel durch Laserstrahlen bewegt und angeleuchtet – dadurch entsteht das Hologramm.

Akustischer „Traktorstrahl“ fürs 3D-Bild

Hirayama und sein Team haben diese Technik jedoch abgewandelt: Statt mit Laserstrahlen kontrollieren sie die winzigen Hologramm-Partikel durch akustische Levitation – quasi einem Traktorstrahl aus Ultraschallwellen. Dabei hält der Schalldruck eines akustischen Feldes das Teilchen in der Schwebe und bewegt es. Bis zu 100 Mal in der Sekunde wechselt das Partikel seine Position und wird dabei von LED-Licht beleuchtet – so entsteht das dreidimensionale Bild.

Verblüffend simpel: Aufbau des MATD-Systems © Eimontas Jankauskis

Der Prototyp dieser Holografie-Anlage ist etwa so groß wie eine Mikrowelle und besteht aus 512 um einen freien Raum angeordneten Ultraschall-Lautsprechern. In ersten Tests erzeugten die Forscher darin bewegte und farbige Hologramme von Buchstaben, verschlungenen Ringen, einem Zauberwürfel und einem rotierenden Globus. Noch ist die Auflösung zwar eher grob, dafür aber konstruierten Hirayama und sein Team ihren Prototyp ausschließlich aus günstigen, frei auf dem Markt erhältlichen Bauteilen – es ist daher noch Luft nach oben, wie sie betonen.

Sound und Tasteindruck durch Schallmanipulation

Der entscheidende Vorteil jedoch: Da das Hologramm mittels Schall erzeugt wird, lässt sich dieser auch für nichtvisuelle Effekte nutzen – Sound und Tastbarkeit. „Ultraschall ist zwar nicht hörbar, transportiert aber Energie durch die Luft. Unser Prototyp steuert und fokussiert diese Energie und kann so Sound erzeugen oder unsere Haut reizen, so dass wir etwas tasten, erklärt Hirayamas Kollege Diego Martinez Plasencia.

Für das taktile Feedback fokussieren Hirayama und sein Team die Ultraschallwellen: Ein Infrarotsensor detektiert, wenn sich beispielweise ein Finger dem Hologramm nähert und stellt die Lautsprecher so ein, dass sich der Schalldruck an der Fingerspitze konzentriert. Bei einem – unhörbaren – Schalldruck von über 150 Dezibel erzeugt dies ein leicht kribbelndes Druckgefühl – man hat das Gefühl, das Hologramm zu spüren.

Für den 3D-Sound stellen die Forscher die Ultraschallwellen so ein, dass im Hologramm Resonanzeffekte entstehen. Diese erzeugen einen hörbaren Schall – im ersten Test waren dies allerdings noch eher einfache Töne.

Auf dem Weg zum ultimativen Hologramm

„Unser MATD-System revolutioniert das Konzept der 3D-Darstellung“, sagt Projektleiter Sri Subramanian von der University of Sussex. Denn es erlaube nicht nur Hologramme, die bewegt und mit bloßem Auge zu sehen sind. „Es nutzt auch ein Prinzip, das zusätzlich andere Sinne stimulieren kann. Das hat es allen bisherigen Holografie-Ansätzen voraus und bringt und näher an die Vision des ultimativen 3D-Displays.“

Wie die Forscher betonen, ist ihre Technik noch deutlich verbesserbar. Durch höhere Frequenzen, stärkere Ultraschall-Lautsprecher und optimierte Kontrollsoftware könnten künftig komplexere, höher aufgelöste Darstellungen und auch stärkere Sounds und Tasteindrücke möglich werden. „Auch wenn wir noch nicht ganz an die technischen Fähigkeiten der „Star Wars“-Rebellen herankommen, ist unser Prototyp doch schon ziemlich nah dran“, konstatiert Hirayama. (Nature, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-1739-5)

Quelle: University of Sussex, Nature