Ganz ohne Zau­ber­stab: Bay­reu­ther For­scher steu­ern mit Schall­wel­len schwe­ben­de Objekte

Symbolbild Bildung
Schwebendes Kunststoffbällchen, gefangen in einem Feld von Ultraschallwellen, die von entgegengesetzten Transducern erzeugt werden. Foto: Viktorija Paneva.

Schwe­ben­des Kunst­stoff­bäll­chen, gefan­gen in einem Feld von Ultra­schall­wel­len, die von ent­ge­gen­ge­setz­ten Trans­du­cern erzeugt wer­den. Foto: Vik­to­ri­ja Paneva.

Die Exi­stenz von Gegen­stän­den mit einem Com­pu­ter kon­trol­lie­ren zu kön­nen, ist eine Visi­on, die unter dem Schlag­wort „Ulti­ma­te Dis­play“ seit mehr als 50 Jah­ren die IT-For­schung fas­zi­niert. Doch erst heu­te rückt die­ses Ziel in Reich­wei­te. An der Uni­ver­si­tät Bay­reuth arbei­ten Prof. Dr. Jörg Mül­ler und sein Team an einem Ver­fah­ren, mit dem sich die räum­li­che Posi­ti­on win­zi­ger Par­ti­kel mit hoher Prä­zi­si­on steu­ern lässt. Ihre neue­ste Ent­wick­lung haben sie vor kur­zem auf einer Kon­fe­renz in Tokio vor­ge­stellt: den Levi­Cur­sor, der klei­ne Objek­te – wie von einer Zau­ber­hand geführt – abhän­gig von den Bewe­gun­gen einer Fin­ger­spit­ze durch den Raum schwe­ben lässt, ohne dass sie dabei berührt werden.

Das von den Bay­reu­ther For­schern ent­wickel­te inter­ak­ti­ve System, das die­se schein­ba­re Magie ermög­licht, arbei­tet mit Ultra­schall­wel­len. Auf zwei hori­zon­ta­len, im Abstand von rund 20 Zen­ti­me­tern über­ein­an­der befe­stig­ten Plat­ten befin­den sich win­zi­ge, eng benach­bar­te Laut­spre­cher (Trans­du­cer). Die­se erzeu­gen von unten und von oben her Ultra­schall­wel­len, so dass die Par­ti­kel, die sich im Raum zwi­schen den bei­den Plat­ten befin­den, aus ent­ge­gen­ge­setz­ten Rich­tun­gen dem Ultra­schall aus­ge­setzt sind. Dadurch kön­nen die Objek­te, bei­spiels­wei­se klei­ne Bäl­le aus Kunst­stoff, in einen Schwe­be­zu­stand ver­setzt wer­den. Wenn sich in die­sem Ultra­schall-Raum die Pha­sen der Schall­wel­len nur gering­fü­gig ändern, reicht dies bereits aus, um die Bäl­le in Bewe­gung zu versetzen.

Der Levi­Cur­sor nutzt die­ses Phä­no­men, um die Bewe­gun­gen der Bäl­le gezielt zu steu­ern. Hier­für wird ein auf der Fin­ger­spit­ze befe­stig­ter opti­scher Mar­ker (Poin­ter) ein­ge­setzt. Indem die­ser sich im Raum bewegt, ver­än­dert er das drei­di­men­sio­na­le Feld der Ultra­schall­wel­len, in wel­chem ein Kunst­stoff­ball oder ein ande­res Objekt gleich­sam ein­ge­schlos­sen ist. Dem Team um Prof. Jörg Mül­ler ist es gelun­gen, ein vom opti­schen Mar­ker abhän­gi­ges Fein­tu­ning der Ultra­schall­wel­len zu rea­li­sie­ren – mit dem Ergeb­nis, dass sich ein Par­ti­kel in allen drei Dimen­sio­nen par­al­lel zur Fin­ger­spit­ze bewegt, ohne dass ein direk­ter phy­si­scher Kon­takt besteht.

Der Levi­Cur­sor zeich­net sich somit vor allem durch drei Eigen­schaf­ten aus: Die Par­ti­kel voll­zie­hen ihre drei­di­men­sio­na­len Bewe­gun­gen fast zeit­gleich mit den Bewe­gun­gen der Fin­ger­spit­ze, es kommt zu kei­nen sicht­ba­ren Ver­zö­ge­run­gen. Die Bewe­gun­gen ver­lau­fen nicht ruck­ar­tig in klei­nen Schrit­ten, son­dern – genau­so wie die Bewe­gun­gen der Fin­ger­spit­ze – kon­ti­nu­ier­lich. Zudem kön­nen hohe Geschwin­dig­kei­ten von bis zu 80 Zen­ti­me­ter pro Sekun­de erreicht werden.

Dr. Myros­lav Bachyn­skyi und Vik­to­ri­ja Pane­va, Mit­ar­bei­ter am Lehr­stuhl für Serious Games, haben die­ses System kürz­lich auf einer inter­na­tio­na­len IT-Kon­fe­renz in Tokio prä­sen­tiert, der ACM Inter­na­tio­nal Con­fe­rence on Inter­ac­ti­ve Sur­faces and Spaces. „Die Fach­welt war sehr beein­druckt, wie weit wir die phy­si­ka­li­schen Grund­la­gen die­ses ultra­schall­ge­steu­er­ten Schwe­bens von Objek­ten im Raum bereits vor­an­ge­trie­ben haben. Wir wol­len die­se Tech­no­lo­gie in den näch­sten Jah­ren wei­ter ver­fei­nern. Ins­be­son­de­re geht es dar­um, noch höhe­re Geschwin­dig­kei­ten und Beschleu­ni­gun­gen zu errei­chen und gan­ze vir­tu­el­le Gegen­stän­de aus schwe­ben­den Par­ti­keln zu erzeu­gen“, sagt Vik­to­ri­ja Paneva.

Link zum Video von der ACM Kon­fe­renz in Tokio, 25.–28. Novem­ber 2018:
https://​twit​ter​.com/​A​C​M​_​I​S​S​/​s​t​a​t​u​s​/​1​0​6​7​5​9​0​2​1​9​0​0​2​7​5​7​121

Prof. Dr. Jörg Mül­ler, Lei­ter des Bay­reu­ther For­schungs­teams, blickt in die Zukunft: „Die Anwen­dun­gen die­ser Tech­no­lo­gie las­sen sich heu­te noch nicht abse­hen. Stel­len wir uns vor, dass es eines Tages gelingt, sehr schnel­le Bewe­gun­gen vie­ler und äußerst klei­ner Par­ti­kel im Mikro­me­ter­be­reich prä­zi­se zu steu­ern: Dann könn­ten sich grö­ße­re Objek­te, die aus die­sen Par­ti­keln zusam­men­ge­setzt sind, in kür­ze­ster Zeit in ande­re Objek­te ver­wan­deln. Auf die­se Wei­se lie­ßen sich bei­spiels­wei­se in Fil­men und Thea­ter­auf­füh­run­gen unge­ahn­te Über­ra­schungs­ef­fek­te erzie­len.“ Aber die Zie­le der For­schung rei­chen noch wei­ter. Mül­ler erin­nert in die­sem Zusam­men­hang an das „Holo­deck“ aus der Fern­seh­se­rie Star Trek: „Unser Ziel ist es, dass der Com­pu­ter in Zukunft nicht nur auf dem Schreib­tisch steht oder im Han­dy ver­steckt ist, son­dern dass der gan­ze Raum, in dem wir uns befin­den, als Benut­zer­schnitt­stel­le ver­wen­det wird. So kön­nen die phy­si­ka­li­sche und die vir­tu­el­le Welt mög­lichst naht­los mit­ein­an­der ver­schmol­zen wer­den“, sagt der Bay­reu­ther IT-Forscher.

For­schungs­för­de­rung:

Die Bay­reu­ther For­schungs­ar­bei­ten sind Teil des von der Euro­päi­schen Uni­on geför­der­ten Pro­jekts „Levi­ta­te“, in dem die Uni­ver­si­tät Bay­reuth mit drei wei­te­ren Uni­ver­si­tä­ten zusam­men­ar­bei­tet: der Uni­ver­si­ty of Glas­gow, der Uni­ver­si­ty of Sus­sex in Brighton und der Chal­mers Uni­ver­si­ty of Tech­no­lo­gy in Göte­borg. Zudem ist das Unter­neh­men Ultrah­ap­tics in Bri­stol an dem Pro­jekt beteiligt.

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