Unsichtbare Formen mit Ultraschall fühlen

Mit Schallwellen unsichtbare Objekte fühlen? Klingt verrückt, ist es aber gar nicht. An der Universität Bristol forscht man gerade genau an dieser Technologie. Was nach Zukunftsmusik klingt, ist vielleicht schon bald für uns alle zugänglich. Wie die Technologie genau funktioniert, haben wir in diesem Beitrag versucht zu erklären.

: Foto: University of Bristol

Universität Bristol arbeitet an neuer Technologie, die es ermöglicht unsichtbare 3D-Formen mit Ultraschallstrahlen zu fühlen

Konzentrierte Schallwellen erzeugen das Gefühl unsichtbarer Objekte, die in der Luft schweben.

Status Quo – VR und AR

Virtual und Augmented Reality Technologien werden immer immer besser darin, uns Dinge sehen zu lassen, die nicht wirklich da sind. In Kombination mit einem Sensorsystem (wie Kinect) können wir sogar mit diesen virtuellen Objekten interagieren. Das fehlende Teil hier ist die Berührung: die Fähigkeit, Dinge zu fühlen, die nicht wirklich existieren. Mit einer Reihe von fokussiertem Ultraschall, der Turbulenzmuster in der Luft erzeugen kann, konnten Informatiker der Universität Bristol 3D-Formen in der Luft erzeugen, die man nicht sehen, aber berühren kann.

Ultraschall lässt unsichtbare Objekte „anfassbar“ werden

Da der ganze Sinn dieses Systems darin besteht, unsichtbare Objekte zu erzeugen, ist es etwas schwierig, ein Gefühl dafür zu bekommen, was genau der Benutzer erfährt, wenn er mit dem „akustischen Strahlungskraftfeld“ interagiert. Im Wesentlichen erzeugt das Ultraschallfeld Punkte in der Luft, an denen mehrere Schallwellen konstruktiv zusammenkommen. Der resultierende Punkt der Schallabstrahlung ist stark genug, um eine Welle in deine Haut zu induzieren, wenn diese reflektiert wird. Dadurch werden deine taktilen Sensoren ausgelöst, so dass du das Gefühl hast, etwas zu berühren.

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Erste Tests mit der Ultraschall-Technologie

Testbenutzer, die keinerlei Erfahrung mit dieser Art von Technologien hatten, hatten keine Schwierigkeiten, eine Reihe von 3D-Grundformen zu identifizieren; darunter einen Kegel, eine Pyramide, eine Kugel und einen Würfel. Der Algorithmus, der das Ultraschall-Array antreibt, ist effizient genug, um in Echtzeit ausgeführt zu werden. Das bedeutet, dass die haptische Rückmeldung nahezu augenblicklich erfolgen kann und die Formen als Reaktion auf Benutzereingaben dynamisch verändert werden könnten. Hier gibt es viele Möglichkeiten und potenzielle Anwendungen, vor allem in Verbindung mit virtueller oder erweiterter Realität, wie die Forscher der University of Bristol in ihrem Beitrag erörtern:

Spüren unzugänglicher Objekte

Unzugängliche Objekte, wie sie in Museen oder im Inneren des menschlichen Körpers zu finden sind, können mit Hilfe von bidirektionalen Spiegeln oder neurochirurgischen Requisiten visuell erforscht werden. Diese bestehenden Methoden erlauben es dem Benutzer zwar, mit den Objekten zu interagieren und sie mit den Händen zu schneiden, bieten aber kein haptisches Feedback. Die Erweiterung mit dem System ermöglicht ein überlegenes räumliches Lernen und die Fähigkeit, wertvolle Informationen durch haptisches Feedback hervorzuheben. Die Abbildung 1 zeigt einen Chirurgen bei der Untersuchung eines CT-Scans mit haptischem Feedback, welches es ihm erlaubt, Tumore zu ertasten.

Steuern berührungsloser Schnittstellen

Berührungslose Schnittstellen werden immer häufiger. Sie bieten eine intuitive, flexible Benutzeroberfläche. Es fehlt aber ein haptisches Feedback durch physikalisches Tasten und Bedienelemente. In vielen Situationen, wie z. B. im Cockpit eines Fahrzeugs (siehe Abbildung 2), möchte der Anwender das System bedienen, während seine Augen auf eine andere Aufgabe gerichtet ist. Die Integration des Systems würde es dem Benutzer ermöglichen, die Geometrie einer Schnittstelle zu spüren und sich auf ein bestimmtes Element zu konzentrieren.

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Verbindung mit Virtual Reality

Virtual Reality ist seit langem ein Ziel interaktiver Systeme. Haptisches Feedback liefert uns Gefühle der Propriozeption, Kinästhesie und Berührung, was es unerlässlich für ein effektives System macht. Jüngste Fortschritte bei kopfmontierten Displays (z.B. VR-Brille) haben den Realismus des visuellen Feedbacks deutlich verbessert, aber haptisches Feedback erfordert immer noch Proxy- oder tragbare haptische Geräte. Diese unnatürliche Trennung bricht das Eintauchen einer virtuellen Realität. Das System würde es den Nutzern ermöglichen, die virtuelle Welt unbelastet zu erkunden und gleichzeitig haptisches Feedback von den Objekten zu erhalten, mit denen sie interagieren, wie in der Abbildung 3 gezeigt wird.

Bestehende Probleme

Es gibt noch ein paar Probleme zu lösen; z. B. gibt es einen Kompromiss zwischen der Sampling-Dichte (das Detail der Form) und der Rendering-Qualität (die Stärke des Feldes), der optimiert werden muss. Außerdem ist das Feld speziell für die Arbeit an Fingern und Händen kalibriert. Andere Körperteile reagieren nicht annähernd so stark darauf. Außerdem muss der Nutzer innerhalb von 20 oder 30 Zentimetern des Emitter-Gebietes bleiben, damit es so funktioniert, wie es soll.

Lösung der Probleme

Die Forscher arbeiten aktiv an diesen Problemen und sind optimistisch, dass ihr akustischer Strahlungskraft-Feldgenerator (dieser existiert bereits) einfach genug zu bedienen und in der Lage dazu ist, dass er bald von allen genutzt werden kann.

Wir möchten einen!

Hier findest du weitere Informationen:

IEEE Spectrum

University of Bristol

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