Können haptische Hologramme verwendet werden, um so etwas wie ein Holodeck zu machen?

Die Frage hat derzeit das Hard Science-Tag. Ich habe versucht, auf Quellen zu verlinken, wo ich kann, aber das meiste davon liegt außerhalb des Bereichs der aktuellen Wissenschaft, sodass Quellen notwendigerweise nicht existieren.

Zusammenfassung
Das Holodeck von Star Trek verfügt über drei primäre Technologien, die erforderlich sind, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, zusammen mit einigen sekundären Technologien.

Die wichtigsten Technologien sind nicht vorhanden bis unmöglich, während einige der am wenigsten wichtigen Technologien gerade im Einsatz sind. Im Allgemeinen halte ich es nicht für wahrscheinlich, dass es möglich ist, wie es in Star Trek gezeigt wird.

Eine Alternative zu Hologrammen und Kraftfeldern ist eine Art von programmierbarer Materie wie Claytronics . Obwohl dies einen enormen Rechenaufwand erfordern würde und derzeit nicht durchführbar ist, scheint es keine physikalischen Hindernisse für das Konzept zu geben.

Ich glaube, dass zwischen einem 3D-Hintergrund und einem Vordergrund, der aus programmierbarer Materie besteht, zusammen mit einer Art beweglichem Boden, um den Benutzer im Raum zentriert zu halten, eine vernünftige Simulation konstruiert werden könnte. Daher habe ich diese drei Abschnitte an die erste Stelle gesetzt.

Auf diese Abschnitte folgen Abschnitte zur Simulation der Beschleunigung (möglicherweise mit einer High-End-Zentrifuge möglich, aber für Ihren Anwendungsfall unnötig) und zu "Hologrammen" im Star Trek-Stil, von denen ich nicht glaube, dass sie im wirklichen Leben machbar sind.

Hintergrundbilder
Der Hintergrund der Holosuite ist ein 2D-Bild, das so projiziert wird, dass es dreidimensional erscheint. Während dies für ein vollständiges Eintauchen in ein Star Trek Skyrim-Spiel erforderlich ist, ist dies der am wenigsten wichtige Aspekt für einfachere Aufgaben wie interaktive Pornos, bei denen sich die Hauptteile der Simulation nur wenige Meter vom Benutzer entfernt befinden und der Hintergrund mit wenig einfach oder nicht vorhanden sein kann praktische Frage.

Die einfachste Form davon existiert bereits in der realen Welt. Mithilfe von Methoden wie Shutterbrillen und der Verfolgung der aktuellen Position der beiden Augen im Raum können die Wände einfach aus hochauflösenden Monitoren hergestellt werden, die mit Methoden, die modernen Computerspielen ähneln, angemessen realistische 3D-Bilder anzeigen. In diesem Fall blitzt der Hintergrund ein Bild für das "linke Auge", während das rechte Auge durch einen undurchsichtigen Verschluss blockiert wird, dann wird das Bild für das "rechte Auge" geblitzt, während das linke Auge blockiert wird. Um Flimmern zu vermeiden , muss dies mit 60 bis 100 Bildern pro Sekunde und Auge erfolgen (möglicherweise bis zu 500 fps , dies hängt jedoch von der Technologie ab, die zur Bilderzeugung verwendet wird). Schwierig, aber sicherlich nicht unüberwindbar.

Mit fortschrittlicher Technologie könnten Sie wahrscheinlich Kontaktlinsen (oder interne Implantate) bauen, die als Shutter-Brille fungieren. Diese würden genauso funktionieren wie bestehende Brillen, aber praktisch nicht wahrnehmbar sein. Obwohl wir diese noch nicht haben, gibt es Patente für implantierte Kameras und bionische Linsen , was mich zu der Annahme veranlasst, dass Shutterbrillen sehr plausibel sind.

Ein anderer Weg würde die Verwendung winziger Laserstrahlen umfassen, die sich an jedem Pixel befinden. Mit zwei Strahlen an jedem Pixel, von denen einer auf jedes Auge gerichtet ist (was wiederum eine ordnungsgemäße Augapfelverfolgung erfordert), könnte das Bild wie ein herkömmlicher LED-Monitor aufgebaut werden, aber das kollimierte Licht würde die linken/rechten Bilder auf das richtige Auge beschränken.

Die physische Konstruktion dieser winzigen Laserstrahlen könnte sehr schwierig sein, daher würde es wahrscheinlich besser funktionieren, winzige, einstellbare Spiegel zu verwenden und einige traditionellere Laser schnell von den Ecken des Raums über sie zu streichen. Ich habe Forschungen zu mikroskopischen Spiegeln gefunden , die in Verbindung mit der Hologrammproduktion verwendet werden, aber diese erfordern eine Linse zwischen der Wand und dem Benutzer (und verwenden Interferometrie, was einfach cool ist).

Diese Technologien könnten erweitert werden, damit mehrere Personen gleichzeitig sehen können. Im Wesentlichen erstellen Sie einfach ein Bild für jeden Augapfel im Raum und zeigen es schnell genug an, damit jede Person eine gleichmäßige Framerate sieht.

Das menschliche Auge hat eine Winkelauflösung von etwa 1 Bogenminute oder 0,02°. Wenn wir davon ausgehen, dass der Raum würfelförmig mit quadratischen Wänden ist, ist der Raum groß genug, dass sich der Benutzer zu jeder Zeit ungefähr in der Mitte des Raums aufhält und dass die Pixel an der Wand über die Wand hinweg gleich groß sind, können wir Berechnen Sie die benötigte Pixelauflösung von etwa 6900 x 6900, was etwa 5,75-mal so viele Pixel wie ein moderner 4k-Bildschirm sind, oder etwa 30 4k-Bildschirme für vier Wände und eine Decke. Obwohl diese Zahlen hoch sind, ist dies bei angemessenen technologischen Fortschritten durchaus plausibel.

Programmierbare Materie
Programmierbare Materie (oben verlinkt, aber der Einfachheit halber noch einmal hier und hier ) ist ein theoretisches Konzept mit einer anständigen Grundlage in der Realität. Die Grundidee besteht darin, eine große Anzahl winziger Roboter zu bauen, die in Echtzeit so programmiert werden können, dass sie sich auf eine Weise bewegen, verformen, montieren und demontieren, die andere Objekte nachahmt.

Das 3D-Bild an der Wand würde sich also zu einem physischen Objekt zusammensetzen, wenn sich das virtuelle Objekt näher an den Benutzer heranbewegt als die Wand. Ebenso würde sich ein Objekt, das sich über die Wand hinausbewegt, bei Annäherung an die Wand selbst zerlegen und wieder zu einem rein virtuellen Objekt werden.

Die Roboter müssten in der Lage sein, ihre Oberflächentexturen zu ändern (hauptsächlich zwischen rau und glatt), die Steifigkeit zwischen Robotern zu ändern (um entweder weiches Muskelgewebe oder ein solides Metallarmband zu replizieren) und ihre Farbe zu ändern (um eine visuelle Textur zu geben). Noch besser, wenn sie ihre Leitfähigkeit (hauptsächlich Wärmeübertragung, sodass sich beispielsweise Aluminium kühler anfühlt als Baumwolle), ihr Reflexionsvermögen (so dass eine nasse Oberfläche anders aussehen würde als eine trockene) und ihre Temperatur ändern könnten, um die Objekte, die sie darstellen, genauer widerzuspiegeln .

Omnidirektionales „Laufband“
Um die Simulation überzeugend zu halten, sollte man den Benutzer idealerweise ungefähr in der Mitte des Raums halten. Auf diese Weise kann der Benutzer von Raum zu Raum gehen oder über ein Feld rennen, ohne gegen die Wand zu rennen oder das Eintauchen zu unterbrechen, indem er manuell in die Mitte des Raums zurückkehrt, bevor die Simulation fortgesetzt wird.

Zusätzlich zur Illusion von festen Objekten könnten fortschrittliche Kraftfelder verwendet werden, um den Benutzer langsam zurück in die Mitte des Raums zu bringen, ohne dass dies offensichtlich auffällt. Wie oben jedoch, sind solche Kraftfelder möglicherweise nicht möglich.

Alternativ könnte der Boden als Laufband eingerichtet werden, das in jede Richtung funktioniert. Es gibt Dinge wie das Virtuix Omni , aber sie erfordern, dass Sie im Wesentlichen das gesamte Laufband anschnallen.

Eine bessere Methode wären Bodenplatten, die programmgesteuert im Raum bewegt werden können, mit Kanten, die sich zerlegen, wenn sie sich zu weit weg bewegen, und wieder zusammengesetzt werden, wenn sie sich dem Benutzer nähern. Ich kenne keine realen Untersuchungen dazu, aber es scheint nicht besonders unmöglich zu sein.

Künstliche Schwerkraft
Um eine konstante Beschleunigung in so etwas wie einer Flugsimulation zu simulieren, bräuchten Sie eine Art künstliche Schwerkraft. In Ihrem Beispielanwendungsfall wäre dies völlig unnötig, es sei denn, Sie möchten "extremen Porno, während Sie von einem wirklich langen Wasserfall ohne Endgeschwindigkeit fallen" oder etwas, das gleichermaßen von der Wand abfällt.

Der beste Weg wäre so etwas wie ein Graviton-Emitter (im Wesentlichen ein Gerät, das echte Schwerkraft erzeugt, genau wie eine LED Licht erzeugt), aber diese sind, soweit wir derzeit wissen, völlig Fiktion.

Wie die Antwort von Anonymous Anonymous zeigt, kann es möglich sein, ein ähnliches Ergebnis mit sehr großen Magneten zu erzielen, die diamagnetische Levitation verwenden . Aktuelle Magnete , die die Kraft haben könnten, einen Menschen zum Schweben zu bringen, haben nur eine Bohrungsgröße von etwa 1 Zoll, also bräuchten wir große Fortschritte bei der Größe der Magnete, aber das liegt im Bereich der Plausibilität.

Eine alternative Methode besteht darin, Ihre gesamte Holosuite in eine mehrachsige Zentrifuge mit viel Leistung zu legen. Es wäre nicht in der Lage, alle möglichen Beschleunigungen perfekt zu simulieren, aber mit ausreichend fortschrittlicher Technologie (und Energie) könnten Sie wahrscheinlich einen ziemlich guten Job machen. Außerdem ist dies eine Technologie, die wir teilweise bereits in realen Simulationen einsetzen.

Die Menschen verwenden heute kippbare Plattformen , um die seitliche Beschleunigung für Renn- und Flugsimulationen zu simulieren. Es ist nicht perfekt, da es immer genau 1 ge Beschleunigung hat, aber es kann trotzdem Spaß machen. Darüber hinaus haben wir Zentrifugensimulatoren für professionelle Schulungen im Einsatz.

Das Best-Case-Szenario hier würde darin bestehen, Ihre Zentrifuge in den Weltraum zu stellen, damit Sie alles simulieren können, vom freien Fall bis zu den Grenzen der Gee-Kraft, die Sie für sicher halten. Auf der Erde besteht die einzige Möglichkeit, den freien Fall zu simulieren, darin, Ihre Zentrifuge 30 Stockwerke hoch zu stellen und den Benutzer tatsächlich fallen zu lassen. Je mehr Geschichten Sie haben, desto länger können Sie einen freien Fall simulieren. Sie können anständige Simulationen für Rennsimulationen mit sehr kleinen Bewegungen erhalten, aber Flugsimulationen benötigen möglicherweise übermäßig große Tropfen, um perfekt zu werden.

Haptische Kraftfelder
Der wichtigste Aspekt der Star Trek Holosuiten sind die hochauflösenden Kraftfelder, die auf die Haut des Benutzers zurückdrücken. Meines Wissens liegen solche Dinge völlig außerhalb des Bereichs der aktuellen Wissenschaft.

Es werden verschiedene "Kraftfeld"-Technologien untersucht, um militärische Ziele vor Explosionen zu schützen (siehe zum Beispiel hier ). Diese funktionieren jedoch, indem sie die Luft zwischen der Explosion und dem Ziel in Plasma umwandeln, das die Druckwelle reflektiert.

Es ist möglich, Mikro-Plasmaausbrüche zu erzeugen, die Sie fühlen können ( diese Jungs haben es getan), aber ich sehe nicht, wie dies auf lokaler Ebene für irgendetwas verwendet werden könnte, das hart genug auf Ihren Körper drückt, um sich wie ein festes Objekt anzufühlen.

Freiraum-Hologramme
Der visuelle Teil der verschiedenen Objekte und Akteure in Reichweite besteht aus Freiraum-Hologrammen. (Ich glaube nicht, dass Freiraum-Hologramme technisch gesehen als „Hologramme“ gelten, aber jeder, der einen Science-Fiction-Film gesehen hat, weiß, dass wir über visuelle Projektionen in die Luft sprechen.) Ich bin mir nicht sicher, wie wahrscheinlich das ist das wird uns wirklich gelingen, aber es sieht vielversprechend aus.

Diese Typen (Links zum selben Artikel wie die Mikroplasmaausbrüche oben) haben eine Form von holografischen Bildern geschaffen, indem sie winzige Explosionen in der Luft erzeugten. Im Moment sind die Bilder berührungssicher, aber ziemlich laut und einfarbig. Wenn diese Technologie auf eine ausreichende Auflösung und Farbwiedergabe verbessert werden kann, haben wir möglicherweise eine praktikable Methode, um dies zu erreichen.

Alternativ gibt es hier eine Frage mit weiteren Diskussionen zu diesem Thema.

Im Allgemeinen scheint es unwahrscheinlich, dass wir diese Hologramme so rendern können, dass sie aus mehreren diskreten Winkeln solide erscheinen. Jedes Licht auf der Vorderseite eines Objekts wäre durch die Rückseite des Objekts sichtbar. Mehrere Personen in einem Raum würden also nicht sehr gut funktionieren, obwohl Sie mehrere Räume verwenden und verschiedene Benutzer in die Räume anderer Benutzer projizieren könnten.

Ein alternatives Verfahren würde eine Art schwimmenden Spiegelstaub umfassen, der externe Laserstrahlen in Richtung des Auges des Benutzers reflektieren könnte, während er Hintergrundlicht ungehindert passieren lässt und für den Benutzer absolut sicher ist. Ich bin mir nicht sicher, wie machbar das ist, aber es hätte ein besseres Aussehen, da Licht auf der Vorderseite eines Objekts nur in Richtung Augäpfel reflektiert würde, die die Vorderseite sehen sollten.

Dies ist nur eine Ergänzung zu MichaelS 'Antwort bezüglich Beschleunigung / künstlicher Schwerkraft.

Obwohl es keine wirkliche Beschleunigung ist, können elektromagnetische Kräfte verwendet werden, um eine Zugkraft auf den Körper des Subjekts zu erzeugen.

Wie würden Sie dies tun:

• Erstens – Sie erfinden einen sehr starken und fokussierten Elektromagneten (A Bitter Solenoid kann verwendet werden)
• Zweitens – Sie konstruieren, kühlen und betreiben einige von ihnen.
• Drittens - Sie sollten sicherstellen, dass Ihr Motiv nicht zu viel ferromagnetisches Material trägt, da es sonst ziemlich unangenehm werden kann.
• Viertens - Sie sind fertig! Richten Sie die Magnete ein paar Mal pro Sekunde neu aus (falls sich Ihr Motiv bewegt) und Sie sollten bereit sein!