Der Neue Wiesentbote

Akustische Levitation: Bayreuther Forscher*innen lassen leuchtende Figuren in der Luft schweben

Durch Levitation erzeugte, scheinbar schwebende Figuren in der Luft. Foto: Jan Milosch.

Bewegungen von Gegenständen durch Schallwellen zu steuern, ist das Ziel eines noch jungen Forschungsgebiets, der akustischen Levitation. Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth hat hierfür jetzt ein neues System entwickelt: Winzige Teilchen werden durch Schallwellen eingefangen und auf vorprogrammierten Bahnen, die den Umrissen von Lebewesen oder Alltagsgegenständen entsprechen, mit hoher Geschwindigkeit durch die Luft geschickt. Die Teilchen leuchten farbig und erzeugen den Eindruck, als würden diese Figuren frei in der Luft schweben. In der Zeitschrift „ACM Transactions on Graphics“ stellen die Wissenschaftler*innen das neue Levitationssystem namens „OptiTrap“ vor.

Viktorija Paneva M.Sc. präsentiert „OptiTrap“ auf der Fachkonferenz SIGGRAPH Viktorija Paneva M.Sc. präsentiert „OptiTrap“ auf der Fachkonferenz SIGGRAPH in Vancouver. Foto: Privat

Schon seit mehreren Jahren ist die Forschung zur akustischen Levitation in der Lage, feste Partikel mit einer Größe von rund zwei Millimetern in sogenannten „akustischen Fallen“ zu fixieren und ihre Bewegungen in der Luft zu beeinflussen. Doch bis die Teilchen sich tatsächlich mit hoher Geschwindigkeit auf den gewünschten Bahnen fortbewegen und farbige, scheinbar schwebende Figuren im Raum erzeugen, bedurfte es bisher in jedem Einzelfall zahlreicher Experimente nach dem Prinzip „Versuch und Irrtum“. Die Frequenz und räumliche Ausrichtung der zur Steuerung der Teilchen eingesetzten Schallwellen musste dabei immer wieder von neuem angepasst werden.

Das von den Forscher*innen der Universität Bayreuth entwickelte System „OptiTrap“ markiert jetzt einen grundlegenden Fortschritt: Erstmals ist es möglich, die Positionierung der akustischen Fallen im Voraus so präzise zu berechnen, dass die eingefangenen Teilchen tatsächlich „gehorchen“ und sich zuverlässig auf den jeweils vorgegebenen Bahnen bewegen. Hinzu kommt ein weiterer Vorteil: Das neue System ermöglicht eine bisher unbekannte Vielgestaltigkeit der Bahnen. Komplexe Objekte mit scharfen Kanten, spitzen Winkeln sowie weiträumigen Kurven gehören nun zum Repertoire darstellbarer Elemente, aus denen sich die Bahnen zusammensetzen können. So erzeugen die von farbigen Leuchtdioden angeleuchteten Teilchen, die sich auf diesen Bahnen fortbewegen, die Umrisse von Tieren, Pflanzen oder alltäglichen Gebrauchsgegenständen. Ihre Geschwindigkeit ist in allen Fällen so hoch, dass das menschliche Auge die Fortbewegung nicht bemerkt, sondern nur die im Raum schwebende, leuchtende Figur als Ganzes wahrnimmt. „OptiTrap“ eignet sich deshalb hervorragend für überraschende visuelle Effekte in Filmen und Theateraufführungen.

Schallwellen lassen ein Herz im Raum schweben. Foto: Jörg Müller.

Im August 2022 hat die Bayreuther Erstautorin der neuen Studie, Viktorija Paneva M.Sc., das Levitationssystem „OptiTrap“ auf der internationalen Fachkonferenz SIGGRAPH im kanadischen Vancouver vorgestellt. „Unser numerischer Ansatz, der „OptiTrap“ zugrunde liegt, ist in der Fachwelt auf starkes Interesse gestoßen. Unabhängig von der Ästhetik der Leuchteffekte, die wir damit erzielen können, wurde unser System unter mathematischen und physikalischen Aspekten als bedeutende Innovation auf dem Weg zu einem vertieften Verständnis akustischer Levitation aufgefasst. Wir werden es in den nächsten Jahren weiter verfeinern und noch leistungsfähiger gestalten“, sagt Paneva.

Forschungsförderung: Die jetzt veröffentlichte Studie ist aus dem EU-Projekt „Levitate“ hervorgegangen, in dem die Universität Bayreuth mit drei weiteren Universitäten zusammenarbeitet: der University of Glasgow, dem University College London und der Chalmers University of Technology in Göteborg. Auch das Unternehmen Ultraleap war an den Forschungsarbeiten beteiligt.

Veröffentlichung: Viktorija Paneva, Arthur Fleig, Diego Martínez Plasencia, Timm Faulwasser, Jörg Müller: OptiTrap: Optimal Trap Trajectories for Acoustic Levitation Displays. ACM Transactions on Graphics (2022), DOI: https://dl.acm.org/doi/full/10.1145/3517746

Video: Teil der Präsentation von „OptiTrap“ in Vancouver war dieses von Viktorija Paneva M.Sc. angefertigte Video