Láseres y partículas para visualizaciones 3D

Daniel Smalley soñaba desde hacía mucho con crear el tipo de hologramas 3D que abundan en las películas de ciencia ficción. Pero cuando vio al inventor Tony Stark meter sus manos a través de una fantasmagórica coraza tridimensional en la película de 2008 Iron Man, comprendió que nunca conseguiría algo así con la holografía, el estándar actual para las imágenes tridimensionales: la mano de Stark bloquearía la fuente de luz del holograma. «Eso me irritaba», dice Smalley, físico de la universidad Brigham Young, en Provo, Utah. Se puso inmediatamente a trabajar para solventarlo.

El equipo de Smalley ha adoptado un enfoque diferente (usar la técnica llamada del visualizador volumétrico) para  crear imágenes 3D en movimiento que se puedan ver desde cualquier ángulo.  Algunos físicos dicen que esa técnica se acerca más que ninguna otra a recrear las proyecciones tridimensionales con las que la princesa Leia pide ayuda en La guerra de las galaxias de 1977. «Eso es algo que un holograma nunca puede hacer: dar una vista en redondo como la de la princesa Leia, que no es un holograma », dice Miles Padgett, físico especialista en óptica de la Universidad de Glasgow.

El procedimiento, descrito en Nature el 25 de enero, actúa más bien como un telesketch (un juguete donde se dibuja gracias a una punta metálica que arrastra partículas de aluminio y estireno), pero de alta velocidad: se vale de las fuerzas aplicadas por un conjunto de haces de láser casi invisibles para atrapar una sola partícula (de la fibra vegetal celulosa), a la que calientan desigualmente. Un segundo conjunto de láseres proyecta luz visible (roja, verde y azul) sobre la partícula, de modo que la ilumina mientras se mueve por el espacio. Los seres humanos no pueden discernir las imágenes a ritmos superiores a unas diez por segundo, así que si se hace que la partícula se mueva lo suficientemente deprisa su trayectoria parecerá una línea continua, como cuando se desplaza en la oscuridad una de esas varillas que desprenden chispas. Y si la imagen así trazada cambia con suficiente rapidez, parecerá que se mueve. Se puede superponer el visualizador sobre objetos reales y a los espectadores les es posible andar a su alrededor en el espacio real.

Las imágenes creadas hasta ahora son muy pequeñas, de solo unos milímetros de tamaño. Y a las velocidades necesarias para crear imágenes en movimiento solo se pueden realizar dibujos de trazo simple. El equipo logró dibujar una espiral en movimiento y las líneas exteriores de una mariposa estática.

La técnica necesita un desarrollo considerable, pero se trata de una idea simple con un enorme potencial de mejora, según William Wilson, nanotecnólogo de la Universidad Harvard.

«Es un triunfo tecnológico», afirma Pagett. «Ojalá fuese mío» .

El enfoque tienen muchas ventajas sobre los visualizadores 3D existentes. La tecnología de los hologramas crea imágenes tridimensionales enviando luz a través de una pantalla bidimensional que contiene una rejilla de difracción. La rejilla manipula las trayectorias de los rayos de luz de modo que interfieran para crear la percepción de que una imagen tiene profundidad. Los hologramas actuales pueden tener todo el colorido y un tamaño real, pero, como la luz ha de emerger siempre de una superficie bidimensional, el ángulo de visualización es limitado. Y como cambiar una rejilla de difracción velozmente resulta arduo, los hologramas suelen ser estáticos.

[Nature Video]

Los visualizadores volumétricos, tal y como da a entender su nombre, recrean físicamente una imagen en el espacio tridimensional. La mayoría de los sistemas existentes proyectan imágenes sobre una pantalla bidimensional que gira rápidamente. Visualizadores más refinados, entre ellos los creados por unos investigadores de la Universidad Keio de Tokio, que inspiraron a Smalley, usan bolas de plasma supercalentado dispuestas en el espacio tridimensional. Pero solo pueden exhibir un color. Otros métodos recurren a dispositivos de realidad aumentada; es el caso de HoloLens, de Microsoft, que pueden crear la ilusión de una imagen tridimensional del mundo real. Pero obligan a llevar artefactos en la cabeza y consumen muchos datos, explica Smalley.

El último sistema ya puede crear  imágenes con una resolución superior a la de los monitores de ordenador: hasta 1600 puntos por pulgada. Pero para crear imágenes realistas, con imágenes en movimiento complejas y visualizaciones de mayor tamaño, los físicos han de dar con la forma de acelerar el movimiento de las partículas y controlar varias de ellas a la vez.

Smalley dice que tiene ideas acerca de cómo abordar ambas cuestiones. «Si progresamos tanto en los cuatro próximos años como en el último, creo que lograremos hacer un visualizador de tamaño útil», dice.

Fantasmagorías

Una pega de esta técnica es que resultará difícil librarse de la sensación fantasmagórica, sin opacidad, de las proyecciones, como explica Nasser Peyghambarian, físico experto en óptica de la Universidad de Arizona en Tucson. Serían así porque el ojo recibiría luz tanto de una partícula de la «trasera» de la imagen como de una de su «delantera».

Un problema final es el de que, como la fuerza que controla las partículas es tan pequeña, el sistema se puede desestabilizar fácilmente. Esto impediría las aplicaciones militares, como simular una batalla en 3D para el entrenamiento de los soldados: un viento de alguna intensidad sacará a las partículas de sus trayectorias. Para evitarlo, dice Smalley, se podría hacer que el sistema dispersara la luz en nieblas de partículas que apareciesen solo temporalmente. «No se va a hacer nunca en un huracán», dice. «Pero no va más allá de lo imaginable que pueda hacerse al aire libre».

Elizabeth Gibney / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «A photophoretic-trap volumetric display», de D. E. Smalley et al. en Nature 553, 486-490 (25 de enero de 2018).