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Akustische Levitation : Ein 3D-Display aus der Zukunft

  • -Aktualisiert am

Noch sind die simulierten Objekte eher simpel, aber das immerhin bewegt in drei Dimensionen. Bild: Eimontas Jankauskis

Ein Bildschirm mit dreidimensionalem Bild, das man hören und anfassen kann – wovon Technologiebegeisterte bislang nur träumten, ist jetzt in einer ersten Version an einer britischen Universität entstanden.

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          Ein 3D-Bildschirm, der zugleich auch Klang erzeugt und ein Tastgefühl liefert: Was ein wenig nach Science-Fiction-Filmen klingt, hat ein Forscherteam um Sriram Subramanian von der University of Sussex nun in die Realität umgesetzt, wie aktuell in der Fachzeitschrift „Nature“ beschrieben wird. Ein blitzschnell hin- und herflitzendes Styroporkügelchen, das in verschiedenen Farben angestrahlt wird, erzeugt die Illusion eines dreidimensionalen, farbigen Bildes. Gesteuert wird das Ganze durch ein Gitter aus Ultraschallwandlern am oberen und unteren Rand des Bildschirms. Diese dirigieren das rund ein Millimeter große Kügelchen so schnell durch den Raum, dass das menschliche Auge nicht folgen kann.

          Das neuartige Display beruht auf dem Effekt der akustischen Levitation: Sind die Schallwellen stark genug, kann ein leichtes Objekt wie das Styroporkügelchen in den stehenden Wellen zwischen den Lautsprechergittern eingefangen werden, die aus je 16 mal 16 quadratisch angeordneten Ultraschallwandlern bestehen. Die gut 20 Zentimeter auseinander liegenden Ultraschalllautsprecher des beinahe kubischen 3D-Schirms werden über eine ausgeklügelte, sehr schnelle Elektronik angesteuert, die die notwendigen Kalkulationen schon auf der Hardwareseite durchführt. Durch geschickte Kontrolle der Ultraschallwandler lässt sich die Phase der Schallwellen stets so anpassen, dass der Knotenpunkt der stehenden Welle wie gewünscht hin und her wandert und dabei das Kügelchen mit sich zieht.

          Das System läuft bei für das menschliche Ohr unhörbaren 40 Kilohertz. Interessanterweise kann es aber auch Klang erzeugen, indem das Kügelchen quasi als Lautsprecher dient. „Wir können etwa eine Audiodatei nehmen und über Amplitudenmodulation dann das Kügelchen zu Schwingungen im hörbaren Frequenzbereich anregen, so dass man dieses dann die Audiodatei ‚singen‘ hört“, sagt Sriram Subramanian. Außerdem können die Ultraschallwandler auch weitere Druckpunkte aus stehenden Wellen erzeugen, die man spürt, wenn man mit dem Finger an die entsprechende Stelle kommt. Das lässt sich zur dreidimensionalen taktilen Interaktion nutzen.

          Die Erschaffer des 3D-Schirms gehen allerdings nicht davon aus, dass solche Geräte bald schon den Fernseher im Haushalt ersetzen werden. Im Augenblick sind sie eher noch Demonstrationsobjekte. So lassen sich bislang keine beliebigen dreidimensionalen Bilder mit diesem Schirm darstellen. Dies sollte sich mit einer weiter entwickelten Steuerungssoftware aber beheben lassen. Mit Ultraschallquellen höherer Frequenz könnte man in Zukunft noch kleinere Teilchen noch schneller bewegen, um die Auflösung und Schärfe zu verbessern. Bei einer Frequenz von 80 Kilohertz sollte auch das Klangerlebnis hinsichtlich Lautstärke und Qualität deutlich besser werden. Außerdem ließen sich mit stärkeren Ultraschallwandlern und optimierter Kontrolle gleich mehrere Kügelchen gezielt dirigieren, was realistischere Darstellungen erlaubt.

          Auch dieser Erdkugel liegt eine sich schnell bewegende Styroporkugel zugrunde.

          Die Technik, mit Hilfe von Schallwellen Objekte zu bewegen, lässt sich auch zu ganz anderen Zwecken einsetzen, etwa in der biomedizinischen Forschung. So arbeiten gegenwärtig mehrere Forscherteams an der Möglichkeit, per Ultraschall in Luftbläschen eingeschlossene Medikamente punktgenau entlang von Blutgefäßen zu dirigieren, etwa um Krebs zu bekämpfen. Sind die Luftbläschen am Einsatzort, lassen sie sich durch einen starken Ultraschallpuls zum Platzen bringen und das Medikament wird freigesetzt. Dadurch verringern sich die negativen Auswirkungen dieser oft toxischen Substanzen auf gesundes Gewebe. Wie das multimodale 3D-Display sind diese Versuche aber noch im Demonstrationsstadium.

          Ob und wie schnell solche Techniken zur Einsatzreife kommen, hängt immer auch davon ab, ob nicht andere Verfahren sich als geeigneter erweisen. Die Wissenschaftler von der University of Sussex sehen jedenfalls dank moderner Steuerungstechniken eine Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten für die Ultraschall-Levitation. So könnten es solche berührungsfreien Verfahren durchaus auch möglich machen, neuartige 3D-Drucker zu entwerfen, die verschiedene Materialien beim Druckprozess vermischen, was ganz neue Möglichkeiten bei der additiven Fertigung eröffnet.

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