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15 de Noviembre de 2019
Óptica

Altavoces que crean imágenes en 3D

Logran crear imágenes suspendidas en el aire (y que se pueden oír y tocar) a partir de ondas sonoras

El sistema de visualización volumétrica mediante levitación acústica desarrollado en la Univesidad de Sussex es capaz de crear imágenes tridimensionales como la de esta mariposa. Las ondas ultrasónicas creadas por un conjunto de altavoces mueven una partícula de poliestireno y una serie de ledes proyectan luz sobre ella. [Eimontas Jankauskis/Universidad de Sussex]

Para llevar la tecnología visual al futuro, a veces ayuda hacer un poco de ruido. Un grupo de investigadores ha empleado ondas acústicas para producir imágenes tridimensionales suspendidas en el aire, crear una sensación táctil e incluso proporcionar una banda sonora.

Desde la década de 1940, los científicos han jugado con el concepto de levitación acústica: el uso de las vibraciones de las ondas sonoras para atrapar objetos diminutos en el aire. La técnica ha experimentado grandes avances en la última década, lo que ha permitido que los sistemas acústicos empujen y arrastren pequeñas partículas, a modo de «rayos tractores» sónicos. Algunos investigadores creen que estas mejoras podrían conducir a aplicaciones como mezclar o clasificar granos de sustancias en polvo, realizar pequeñas reacciones químicas de manera aislada, contribuir a nuevos métodos de impresión en 3D... o crear imágenes visibles desde cualquier ángulo.

Este tipo de visualización se denomina volumétrica: a diferencia de las técnicas holográficas, es capaz de generar imágenes sin necesidad de una pantalla y estas pueden verse desde cualquier posición. Para imaginárnoslo, podemos pensar en el mensaje de la princesa Leia que transporta R2-D2 en una película muy conocida. «Me gusta lo de La guerra de las galaxias», afirma uno de los autores del estudio, Ryuji Hirayama, investigador de la Universidad de Sussex en Inglaterra.

Hirayama y sus colaboradores, entre los que se encuentra el español Diego Martínez Plasencia, produjeron sus propias imágenes flotantes con un sistema que denominan «visualizador de trampa acústica multimodal». Parece una caja de 10 centímetros de lado con los laterales abiertos y las partes superior e inferior formadas por sendos conjuntos de pequeños altavoces (512 en total). Estos altavoces emiten ondas sonoras de frecuencia ultrasónica —demasiado alta para que las capte el oído humano— lo que genera vibraciones en el aire que manipulan una esfera de poliestireno ligeramente más pequeña que una semilla de sésamo.

A medida que la bolita vuela de acuerdo a patrones programados, los investigadores proyectan distintos colores sobre ella. «Iluminamos esa partícula levitada con ledes RGB (rojo, verde, azul), de modo que podemos controlar el color de la luz dispersada», aclara Hirayama. Gracias a su elevada velocidad —la partícula puede desplazarse verticalmente a casi nueve metros por segundo y horizontalmente a casi cuatro— el punto brillante engaña al ojo humano, que percibe una imagen continua, un fenómeno se conocido como persistencia de la visión. Se trata del mismo principio por el que la cabeza brillante de una bengala parece trazar contornos dorados cuando la movemos en el aire nocturno. La nueva técnica de visualización volumétrica se presentó recientemente en un artículo de la revista Nature.

[Eimontas Jankauskis/Universidad de Sussex]

Otros grupos de investigación también han trabajado en la visualización de imágenes mediante levitación acústica: un equipo japonés empleó una gran cantidad de diminutas partículas como una especie de pantalla de proyección brillante. Y en un artículo publicado el pasado agosto en Applied Physics Letters, se describía un sistema similar al desarrollado en la Universidad de Sussex.

Sin embargo, según uno de los autores de ese estudio de agosto, Asier Marzo, investigador de la Universidad Pública de Navarra, el nuevo sistema de la Universidad de Sussex es más avanzado que cualquiera de los intentos anteriores. «Sus resultados son mucho mejores que los nuestros», admite Marzo. «En el artículo que publicamos hace tres meses, nuestra partícula no se desplazaba ni a un metro por segundo. Y en el nuevo artículo que ha presentado este grupo de Sussex, creo que puede alcanzar hasta nueve metros por segundo. Es por eso que sus resultados me parecen extraordinarios.»

Además de la visualización, el sistema también puede producir sonido audible, para proporcionarle una banda sonora a las imágenes. Y los altavoces de ultrasonidos también pueden concentrar las vibraciones en un punto, de manera que un dedo pueda sentir una sensación de retroceso, casi como si el objeto representado por la imagen flotante estuviera realmente allí. «Hemos creado imágenes tridimensionales que se pueden ver y tocar», señala Hirayama. «En este artículo, combinamos esas tres modalidades: usamos ultrasonidos, pero podemos crear contenido visual, táctil y de audio al mismo tiempo.» Este enfoque triple podría servir, por ejemplo, para mostrar un despertador parpadeante y estruendoso que podríamos apagar tocándolo con un dedo.

Pero hay muchas otras aplicaciones posibles, más allá de un despertador. «La visualización sin pantalla es muy versátil y útil», apunta Daniel Smalley, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Brigham Young, en Utah, que revisó el artículo del grupo de Sussex para Nature pero no participó en la investigación. (En 2018 Smalley presentó una técnica similar, que emplea láseres para mover una partícula de celulosa y producir imágenes.) «Significa que todo el mundo que está en la sala puede ver la imagen —desde cualquier perspectiva o ubicación— y eso es muy práctico.»

Como sistema de comunicaciones, este visualizador podría permitir algún día que los usuarios charlen con la proyección tridimensional de una persona, que además podría girar la cabeza para seguirlos mientras se mueven por la habitación. Hirayama indica que la tecnología también podría usarse para visualizar datos en el aire. Por ejemplo, incide Smalley, una vista tridimensional de los satélites que rodean la Tierra proporcionaría una idea más intuitiva de cómo se distribuye la basura espacial y qué deberían hacer los astronautas para evitarla.

Aunque se han propuesto diversas técnicas de visualización volumétrica, Smalley considera que la levitación acústica es prometedora. «Este método en concreto es interesante porque está mucho más cerca de poder comercializarse que otros sistemas de visualización volumétrica», comenta. «Emplean componentes estándar y han demostrado que el método no es demasiado inercial. Mi impresión era que iba a ser demasiado inercial como para trabajar a las velocidades que requiere la persistencia de la visión, pero con este artículo han demostrado que no es así.»

Sin embargo, aún queda mucho trabajo por hacer antes de que podemos instalar un sistema de visualización así en nuestra sala de estar. «Hasta ahora, se ha conseguido en el laboratorio», señala Marzo. «Y creo que debemos seguir trabajando en ello. Necesitamos hacer más análisis, más simulaciones, para ver si tendría sentido crear un sistema de visualización real que la gente pudiera tener en su casa.»

Grabando las imágenes con un tiempo de exposición de 20 segundos, el sistema acústico de visualización volumétrica es capaz de crear un globo terráqueo giratorio. [Eimontas Jankauskis/Universidad de Sussex]

El sistema actual solo puede mostrar imágenes sencillas, como una cara sonriente o un ocho, en tiempo real (aunque puede producir la imagen más detallada de un globo terráqueo giratorio cuando se graba con una cámara con baja velocidad de obturación). Para crear visualizaciones más elaboradas, como un gráfico o una vista tridimensional de los satélites alrededor de la Tierra, la esfera tendría que desplazarse a una velocidad considerablemente más alta. «Cabe preguntarse por qué conseguir que la partícula se mueva más rápido es bueno para la visualización», prosigue Marzo. «La razón es que la velocidad de la partícula determina cómo de grandes y complejas son las imágenes que podemos mostrar.»

Aun así, Smalley es optimista sobre las posibilidades de este tipo de técnica. Apunta que si el sistema tuviera solo una superficie cubierta de altavoces en vez de dos, podría generar imágenes más grandes que el propio dispositivo. «No podemos crear imágenes de televisión más grandes que el televisor, e incluso un proyector necesita una pantalla de proyección mayor que la propia imagen», razona. Pero con la visualización volumétrica, un dispositivo pequeño y portátil podría generar una imagen de un tamaño mucho mayor. «En un futuro, es posible imaginar sistemas de visualización volumétrica incorporados en los relojes, por ejemplo, que generen grandes imágenes que se proyecten fuera de nuestro reloj.» O, tal vez, fuera de nuestro androide de Star Wars.

Sophie Bushwick

Referencia: «A volumetric display for visual, tactile and audio presentation using acoustic trapping», Ryuji Hirayama et al. en Nature, vol. 575, págs. 320-323, 13 de noviembre de 2019.

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