In Science Fiction Filmen und Serien wie Star Wars und Star Trek gehören Holgramme zum täglichen Leben. Auf Captain Picards Enterprise oder der USS Voyager gibt es ganze Holdecks, auf denen jede beliebige Umgebung und jedes beliebige Hologramm erschaffen werden kann, mit denen man verbal und physisch interagieren kann. Auf der Voyager verlässt man sich auf der Krankenstation sogar auf den „Doktor“, das Medizinische Holografische Notfallprogramm, das, wie ein Mensch, in der Lage ist, aus seinen Erfahrungen dazuzulernen und auch sonst viele menschliche Eigenschaften aufweist.

So weit wie die Technik im 24. Jahrhundert fortgeschritten ist, sind wir im 21. Jahrhundert zwar noch nicht, Wissenschaftler an der University of Sussex sind Hologrammen wie in Star Trek und Star Wars nun aber einen Schritt nähergekommen. Sie haben zum ersten Mal Hologramme entwickelt, die man mit bloßem Auge sehen, aber auch fühlen und hören kann. Das Multimodal Acoustic Trap Display (MATD) kann zwar noch nicht auf Notrufe reagieren und Patienten behandeln, kann aber einen farbigen Schmetterling zeigen, der flattert, Emojis und andere Bilder, die ohne VR- oder AR-Headsets sichtbar sind.

© University of Sussex

Schallwellen, um physische Objekte zu manipulieren

„Unsere neue Technologie wurde von alten Fernsehern inspiriert, bei dem ein einziger Farbstrahl so schnell über den Bildschirm flimmert, dass das Gehirn ihn als ein einziges Bild wahrnimmt“, sagt der Hauptautor der Studie, die im Fachmagazin Nature veröffentlicht wurde, Dr. Ryuji Hirayama, ein JSPS-Stipendiat und Rutherford Fellow an der University of Sussex.

Die Star Trek Hologramme bestehen aus Photonen und Kraftfeldern, die Hologramme der Forscher in Großbritannien werden laut Hirayama auf vergleichbare Weise erzeugt. „Nach meinem Verständnis werden die Hologramme in diesen fiktiven Medien durch Biegen und Formen von Licht mittels Kraftfeldern erzeugt. Ebenso nutzt unsere Technologie Schallwellen, um physische Objekte zu manipulieren“, sagt er. „Im Falle der Erzeugung von Hologrammen sind diese Schallwellen in der Lage, ein Kügelchen schnell genug zu bewegen, um feste Bilder zu erzeugen. Farbe erhalten sie durch eine externe Lichtquelle.“

Das MATD basiert auf der Methode, die schon 2018 freischwebende Projektionen möglich machte. Allerdings wurden damals winzige Partikel mit Laserstrahlen bewegt und angeleuchtet, wodurch das Hologramm entstand. Beim MATD wird ein Kügelchen mit Ultraschall eingefangen, bewegt und mit rotem, grünem und blauem Licht beleuchtet, um ein farbiges Bild zu erzeugen. Die schnelle Bewegung durch den Raum – bis zu 100 Positionswechsel pro Sekunde – erzeugt die 3D-lllusion.

© University of Sussex

Noch Luft nach oben

Der Prototyp des MATD hat in etwa die Größe und Form einer Mikrowelle und besteht aus 512 Ultraschall-Lautsprechern, die um einen freien Raum angeordnet sind. Die Auflösung der erzeugten Hologramme ist im Moment zwar noch nicht sehr fein, aber: „Das MATD wurde aus kostengünstigen und kommerziell erhältlichen Komponenten hergestellt“, betont Hirayama. „Wir glauben, dass es noch Luft nach oben gibt, um seine Kapazität und sein Potenzial zu erhöhen.“

Mehr Artikel zum Thema Hologramme finden Sie hier.

Anders als die bisher erzeugten Hologramme kann das mit dem MATD erzeugte Hologramm auch Sound wiedergeben und sogar physisch gefühlt werden. „Auch wenn es für uns nicht hörbar ist, ist Ultraschall immer noch eine mechanische Welle und transportiert Energie durch die Luft“, sagt Hirayamas Kollege, Dr. Diego Martinez Plasencia. „Unser Prototyp leitet und bündelt diese Energie, die dann Sound erzeugen oder unsere Haut reizen kann, so dass wir etwas fühlen.“ Dazu erkennt ein Infrarotsensor, wenn sich dem Hologramm zum Beispiel eine Hand nähert. Daraufhin werden die Lautsprecher so eingestellt, dass sich ein Schalldruck von über 150 Dezibel an der Hand bündelt und man so das Gefühl hat, das Hologramm zu spüren.

Projektleiter Sri Subramanian, Professor für Informatik an der University of Sussex und ein Lehrstuhl der Royal Academy of Engineering in Emerging Technologies, erklärt, das MATD-System würde das Konzept der 3D-Darstellung revolutionieren. „Es geht nicht nur darum, dass der Inhalt mit bloßem Auge sichtbar ist und in jeder Hinsicht einem realen Objekt ähnelt, während der Betrachter dennoch hineingreifen und mit dem Display interagieren kann. Es verwendet auch ein Prinzip, das zusätzlich andere Sinne stimulieren kann, was es über alle bisherigen Holografie-Ansätze stellt und uns näher denn je an Ivan Sutherland’s Vision des ultimativen Displays bringt.“

© University of Sussex

Praktischer Nutzen

Damit das Hologramm auch Sound erzeugen kann, mussten die Wissenschaftler die Ultraschallwellen so einstellen, dass die nötigen Resonanzeffekte im Hologramm entstehen. Noch sind diese Töne allerdings sehr einfach und von Sprache weit entfernt. Aber auch da gibt es laut Hirayama noch Luft nach oben. „Der Betrieb mit Frequenzen über 40 kHz ermöglicht die Verwendung kleinerer Partikel, wodurch die Auflösung und Präzision des visuellen Inhalts erhöht wird, während Frequenzen über 80 kHz zu einer optimalen Audioqualität führen.“ So könnten leistungsstärkere Ultraschall-Lautsprecher, fortschrittlichere Steuerungstechniken oder sogar die Verwendung mehrerer Partikel komplexere, stärkere taktile Rückkopplungen und einen lauteren Ton ermöglichen.

Diese neuen Hologramme haben aber nicht nur einen wissenschaftlichen und unterhaltsamen Nutzen. Die Autoren glauben, dass die Technologie interessante Möglichkeiten eröffnen könnte, wie z.B. Chemikalien zu mischen, ohne sie zu kontaminieren, Ultraschall-Untersuchungen in Geweben durchzuführen, um lebensrettende Medikamente zu verabreihen und zahlreiche Lab-in-a-Chip-Anwendungen.

Und wie hoch sind nun die Chancen, dass es eines Tages Hologramme wie den Holodoc in Star Trek geben wird? „Im Moment manipuliert unser Display ein einzelnes Partikel, um Hologramme zu erstellen. Die Verwendung mehrerer Partikel ermöglicht es uns, komplexere Hologramme zu erstellen“, sagt Hirayama. „Durch die genauere Modellierung der Dynamik des sich bewegenden Partikels wäre das Partikel in der Lage, sich schneller und präziser zu bewegen, so dass die Anzeige realistischere Hologramme projizieren kann. Wir werden weiter an solchen Herausforderungen arbeiten, weil ich persönlich Hologramme wie das MHN eines Tages sehen möchte!“