3D-beeld gevangen in geluidsgolven

Techniek Een plastic pilletje dat danst op ultrasone geluidsgolven geeft de illusie van een driedimensionaal beeld. Zoals een vlinder.

Een vlinderachtig object zweeft door de ruimte. In werkelijkheid is het een plastic deeltje van 1 mm.
Een vlinderachtig object zweeft door de ruimte. In werkelijkheid is het een plastic deeltje van 1 mm. Foto Eimontas Jankauskis

Technieken die driedimensionale visualisaties maken zoals in sciencefictionboeken en -films worden steeds verfijnder. Met behulp van geluidsgolven hebben onderzoekers van de University of Sussex in het Verenigd Koninkrijk en Tokyo University of Science in Japan een systeem gemaakt dat zowel een 3D-beeld als geluid maakt en bovendien reageert op aanrakingen. Hun artikel verscheen woensdag in Nature.

Het projecteren van 3D-voorwerpen op schermen of het maken van een 3D-visualisatie in de lucht kan al op verschillende manieren. Bij bijvoorbeeld klassieke holografie wordt het verstrooide laserlicht van een voorwerp op een fotografische plaat geprojecteerd, die achteraf met de laser zichtbaar wordt gemaakt. Onder meer de zorg maakt soms al gebruik van het visualiseren van driedimensionale voorwerpen. Zo gebruiken chirurgen hololenzen (een soort virtualrealitybrillen) als assistentie tijdens operaties.

Maar hoe maak je de illusie van een voorwerp in de ruimte, dat je van alle hoeken kunt bekijken, zonder een lens nodig te hebben en dat ook nog eens geluid kan maken en tegendruk geeft als je het aanraakt?

Schakelen voor geluid en tast

De basis voor het 3D-beeld bestaat uit een kunststofdeeltje (polystyreen) van 1 millimeter groot. Dit wordt in een soort doos geplaatst die aan drie kanten open is. Binnenin bevindt zich aan de boven- en onderkant een raster van 16 maal 16 transductoren (kleine speakertjes). Op die manier ontstaan 256 paren van speakers die elk een ultrasone geluidsgolf maken, onhoorbaar voor mensen. Met deze golven konden de onderzoekers het kunststofdeeltje optillen en verplaatsen.

Kunststofdeeltje vormt een 3D-beeld. Beeld Eimontas Jankauskis

Net als licht heeft een geluidsgolf een eigen frequentie en amplitude. Zo ontstaan drukverschillen in de luchtkolom van de geluidsgolf. De onderzoekers kunnen de frequentie van de geluidsgolven zo modelleren dat het deeltje wordt vastgehouden in een soort lagedrukkooitje dat is omringd met lucht waar een hoge druk heerst. Door het kooitje te verplaatsen, kan het kunststofdeeltje verschillende vormen in de lucht maken. Een ledlampje verlicht het deeltje voor elke nieuwe positie met een kleur.

„Om deeltjes op deze nauwkeurigheid vast te houden en te verplaatsen, moet je heel stabiele staande golven maken. De golflengtes moeten precies tussen de twee platen passen zodat er een resonantie kan ontstaan”, zegt Eric Verschuur, onderzoeker aan de TU Delft. „Dit artikel laat heel mooi de grote drukverschillen zien, waardoor een opwaartse kracht ontstaat die het deeltje omhoog duwt.”

De frequentie van de ultrasone golven is dusdanig hoog dat het menselijk oor er niet gevoelig voor is. Om wél hoorbaar geluid te maken, moet het systeem dus golven produceren met een lagere frequentie. En dat kan door de amplitude, de hoogte van de pieken en dalen van zo’n ultrasone golf, steeds groter en dan weer kleiner te maken. Zo ontstaat een nieuwe geluidsgolf, met een veel lagere frequentie, binnen het hoorbare spectrum.

Letters, smiley’s of een vlinder

De onderzoekers hebben ook interactie met het systeem mogelijk gemaakt. Door opnieuw drukverschillen te gebruiken duwen de geluidsgolven als het ware terug op bijvoorbeeld een vinger, waardoor het lijkt of je daadwerkelijk op iets drukt – en niet zomaar in de lucht wijst. Die beweging kan vervolgens ook weer het geluidssignaal beïnvloeden.

Om figuren zoals letters, smiley’s of een vlinder als één ononderbroken beeld te laten zien, moet het deeltje snel bewegen. Nu wordt 40.000 keer per seconde de positie van het deeltje bijgewerkt, wat snel genoeg is voor simpele voorwerpen. Maar om meer ingewikkelde vormen te maken, zoals een kubus of een globe, moet dit nog sneller, legt Ryuji Hirayama uit, een van de auteurs van de publicatie. „We verbeteren het ‘display’ nu zodat we sneller kunnen scannen. Ook willen we meerdere deeltjes tegelijkertijd kunnen gebruiken om complexere vormen te maken.”

De onderzoekers denken dat deze techniek op termijn kan worden toegepast op laboratoriumonderzoek dat plaatsvindt op een enkele chip, of het mengen van chemicaliën zonder instrumenten te vervuilen.