MATD: een hologram dat je kunt voelen en horen

In sciencefictionfilms en series zoals Star Trek maken hologrammen deel uit van het dagelijks leven. Op Captain Picard’s ‘Enterprise’  of op de ‘USS Voyager’  zijn complete ‘ holodecks’ waar je elke gewenste omgeving en elk gewenst hologram kunt creëren. Je kunt er zelfs fysiek mee communiceren. Op de Voyager bestaat zelfs in de ziekenboeg de “Doctor”, het Medisch Holografisch Noodprogramma. Dit hologram is net als een mens in staat is om te leren van zijn ervaringen. Hij beschikt ook over vele andere menselijke eigenschappen.

Zover als de technologie in de 24e eeuw is voortgeschreden, zijn we nog niet in de 21e eeuw. Maar wetenschappers van de Universiteit van Sussex zijn wel een stap dichterbij gekomen bij hologrammen zoals die in Star Trek. Ze hebben voor het eerst hologrammen ontwikkeld die met het blote oog kunnen worden gezien, maar ook kunnen worden gevoeld en gehoord. De Multimodal Acoustic Trap Display (MATD) kan nog niet reageren op noodoproepen en patiënten behandelen. Het systeem kan wel een gekleurde vlinder, emojis en andere beelden tonen, zonder dat je daar een ‘headset’ voor Virtual Reality (VR) of augmented reality (AR) voor nodig hebt.

Geluidsgolven om fysieke objecten te manipuleren

“Onze nieuwe technologie is geënt op die van oude beeldbuizen van televisietoestellen. Daarbij schiet een elektronenstraal zo snel lichtpuntjes over het beeldscherm heen en weer, dat uiteindelijk de menselijke hersenen het als een beeld wordt waargenomen”, zegt Dr. Ryuji Hirayama, een JSPS-collega en Rutherford Fellow van de Universiteit van Sussex, de hoofdauteur van het onderzoek dat in het tijdschrift Nature is gepubliceerd.

De hologrammen in Star Trek bestaan uit fotonen en krachtvelden. De hologrammen van de onderzoekers in Groot-Brittannië worden volgens Hirayama op vergelijkbare wijze geproduceerd. “Naar mijn begrip worden de hologrammen in deze fictieve media geproduceerd door het buigen en vormen van licht met behulp van krachtvelden. Onze technologie maakt ook gebruik van geluidsgolven om fysieke objecten te manipuleren”, zegt hij. “Bij het maken van hologrammen zijn deze geluidsgolven in staat om partikels snel genoeg te bewegen om solide beelden te produceren. Ze krijgen kleur van een externe lichtbron.”

De MATD is gebaseerd op de methode die al in 2018 vrij zwevende projecties mogelijk maakte. Kleine deeltjes werden daarbij belicht door laserstralen, wat resulteerde in het hologram. De MATD houdt met ulltrasoon geluid een balletje vast in een ruimte, beweegt dit razend snel en belicht dat met rood, groen en blauw licht om een kleurrijk beeld te creëren. De snelle beweging door de ruimte – tot 100 positieveranderingen per seconde – creëert de 3D-illusie.

Ruimte voor verbetering

Het prototype van de MATD heeft ongeveer de grootte en vorm van een magnetron en bestaat uit 512 ultrasone luidsprekers die rond een vrije ruimte zijn opgesteld. De resolutie van de gegenereerde hologrammen is op dit moment niet erg goed. “De MATD is gemaakt van goedkope en commercieel verkrijgbare componenten”, benadrukt Hirayama. “Wij denken dat er zeker nog ruimte is voor verdere vergroting van capaciteit en potentieel.

Meer artikelen over hologrammen vindt u hier

In tegenstelling tot de hologrammen die nu worden gemaakt, kan het hologram dat met de MATD is gemaakt, ook geluid maken en zelfs echt gevoeld worden. “Zelfs als we het niet kunnen horen, is ultrasoon geluid nog steeds een mechanische golf die energie door de lucht transporteert,” zegt Hirayama’s collega, Dr. Diego Martinez Plasencia. “Ons prototype stuurt en bundelt deze energie, die vervolgens geluid kan genereren of onze huid kan prikkelen zodat we iets kunnen voelen. Een infraroodsensor detecteert bijvoorbeeld wanneer een hand het hologram nadert. De luidsprekers worden vervolgens zo afgesteld dat een geluidsdruk van meer dan 150 decibel op de hand wordt geconcentreerd, waardoor je het hologram voelt.

Projectleider Sri Subramanian, hoogleraar Informatica aan de Universiteit van Sussex en voorzitter van de Royal Academy of Engineering in Emerging Technologies, legt uit dat het MATD-systeem een revolutie zou betekenen voor het concept van 3D-beeldvorming. “Het is niet alleen zo dat het met het blote oog zichtbaar is en in alle opzichten op een echt object lijkt. Je kunt er ook naar grijpen en ermee communiceren. Het maakt ook gebruik van een principe dat andere zintuigen extra kan prikkelen. Daardoor staat het boven alle andere holografische toepassingen. Het brengt ons dichter dan ooit bij de visie van Ivan Sutherland over virtuele werkelijkheid. (Sutherland is de pionier van VR-technieken; red.).

Praktische toepassingen

Om het hologram ook geluid te laten produceren, moesten de wetenschappers de ultrasone golven zodanig aanpassen dat de nodige resonantie-effecten in het hologram werden gecreëerd. Deze geluiden zijn echter nog steeds zeer eenvoudig. Ze komen nog lang niet in de buurt van spraak. Maar volgens Hirayama kan ook dat verder worden verbeterd. “Bij het gebruik van frequenties boven 40 kHz kunnen kleinere deeltjes worden gebruikt, wat de resolutie en precisie van de visuele inhoud verhoogt, terwijl frequenties boven 80 kHz een optimale geluidskwaliteit opleveren”. Zo zouden bijvoorbeeld krachtigere ultrasone luidsprekers, geavanceerdere besturingstechnieken of zelfs het gebruik van meerdere deeltjes, complexere, sterkere tactiele feedback en luider geluid mogelijk kunnen maken.

Maar deze nieuwe hologrammen hebben niet alleen een wetenschappelijk en onderhoudend voordeel. De auteurs zijn van mening dat de technologie interessante mogelijkheden kan bieden, zoals het mengen van chemicaliën zonder ze te verontreinigen, het uitvoeren van echografieën in weefsels om levensreddende medicijnen toe te dienen, en talrijke ‘lab-in-a-chip’ toepassingen.

En wat zijn de kansen van hologrammen zoals de Holodoc in Star Trek?  “Op dit moment manipuleert ons scherm een enkel deeltje om hologrammen te maken. Door meerdere deeltjes te gebruiken, kunnen we complexere hologrammen maken”, zegt Hirayama. “Door de dynamiek van het bewegende deeltje nauwkeuriger te modelleren, zou het deeltje sneller en nauwkeuriger kunnen bewegen, waardoor het display realistischer hologrammen kan projecteren. We zullen aan dergelijke uitdagingen blijven werken, omdat ik persoonlijk graag op een dag hologrammen zoals het MHN zou willen zien”.