Auf Tuchfühlung mit dem Computer

Schlaue Mützen

Auch Kopfbedeckungen eignen sich gut als Träger von Bedienelementen für Computer. Bestickt man etwa eine Mütze im Bereich der Ohren mit Spulen aus feinen, isolierten Kupferdrähten, lassen sich so Kopfhörer realisieren, die ganz ohne starre Komponenten auskommen. „Der Klang lässt aber noch zu wünschen übrig“, räumt Haller ein. Eine weitere Möglichkeit, um eine Kopfbedeckung als Schnittstelle zum Rechner einzusetzen, ist die am Institut für Pervasive Computing Systems des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelte „Vibration Cap“. Für diese Hightech-Haube haben die Forscher in Baden eine Mütze mit einem Vibrationsdisplay ausgestattet. Es besteht aus 19 kleinen Elektromotoren, die über den gesamten Umfang des Kopfes verteilt sind und sich einzeln ansteuern lassen, um an bestimmten Stellen leichte Schwingungen zu erzeugen. Das soll die Aufmerksamkeit des Trägers in eine bestimmte Richtung lenken.

Während einer Teststudie haben die Wissenschaftler um Institutsleiter Michael Beigl ihre Kappe bereits erfolgreich im Kontrollraum eines großen Energieversorgers getestet, wo das Personal von vielen Monitoren umgeben ist und schnell reagieren muss, wenn einer davon ein Problem anzeigt. „Die übliche Reizsetzung durch ein Blinken auf dem Monitor funktioniert ganz am Rand des Blickfelds einer Person nicht gut“, sagt Beigl. „Ein Reiz durch eine Vibration ist da viel einfacher und natürlicher.“

Doch letztlich geht es den Forschern darum, mit einer haptischen Ausgabeschnittstelle am Kopf ein Gefühl für die Umgebung zu erzeugen. Dazu haben sie in einem weiteren Experiment versucht, über die Vibrationen der Kappe den Abstand zu einem Objekt in der Nähe des Trägers abzubilden. „Dabei haben wir festgestellt, dass es möglich ist, unserer Wahrnehmung durch den Tastsinn zusätzlich eine andere, visuelle Funktion zu geben“, berichtet Beigl. Ein Ziel seines Teams ist es, blinden Menschen zu ermöglichen, sich auf Basis eines solchen Inputs auf natürliche Art zu orientieren.

Muskelspiel im Ohr

Ein besonders guter Ort, um Computer-Interfaces direkt an den menschlichen Körper heranzuführen, ist das Ohr. Viele Menschen tragen bereits sogenannte In-Ear-Kopfhörer mit integrierten Mikroprozessoren, um zu telefonieren, Musik zu hören oder störende Geräusche aus der Umgebung zu filtern. Mit ihrem Projekt „EarRumble“ wollen die KIT-Forscher um Michael Beigl solche Kopfhörer um eine neuartige Eingabemöglichkeit erweitern. Dazu nutzen sie die Fähigkeit mancher Menschen, den Trommelfellspanner, einen kleinen Muskel im Mittelohr, bewusst zu bewegen.

Der Zweck dieses Muskels ist es normalerweise, die Druckverhältnisse im Ohr zu regulieren, und etwa jeder Zweite kann das auch willentlich tun. Das lässt sich auch nutzen, um einen Drucksensor zu aktivieren, der in einem Ohrstöpsel integriert ist. So können Bewegungen des Trommelfellspanners, ähnlich wie beim Tasten auf einem Morsegerät, einfache Steuersignale an elektronische Geräte übertragen. „Das bietet eine Möglichkeit sowohl zur Eingabe als auch zur Ausgabe von Informationen direkt am Ohr“, sagt Beigl. „So kann man zum Beispiel, wenn man beim Fahrradfahren Musik hört und sich eine gefährliche Verkehrssituation ergibt, schnell die Pausentaste drücken, ohne dafür die Hände vom Lenker nehmen zu müssen.“

Doch es muss nicht gleich eine Gefahrensituation im Spiel sein, um das Muskelspiel im Ohr einzusetzen. Dass ein Gegenüber die Bewegung des Trommelfellspanners kaum wahrnehmen kann, macht die Steuerung sehr diskret – und bietet noch andere Perspektiven. „Wenn man sich gegenübersteht und miteinander redet, könnte man so unauffällig per Morsecode eine Anfrage an eine App schicken, und sich die Antwort per Lautsprecher direkt ins Ohr schicken lassen“, sagt Beigl – beispielsweise den vergessenen Namen des Gesprächspartners. Auch bei industriellen Anwendungen wie Wartungsarbeiten an Maschinen sieht der Karlsruher Wissenschaftler großes Potenzial für das System. Schließlich haben die Mechaniker dabei meist nicht die Hände frei, um Geräte zu steuern, und für eine Spracheingabe ist es in einer Fabrikumgebung zu laut.

Eine weitere Möglichkeit, um In- und Output-Geräte unmittelbar am Körper zu tragen, bieten elektronische Pflaster auf der Haut. Jürgen Steimle, Leiter des Labors für Mensch-Computer-Interaktion und Interaktive Technologien der Universität des Saarlandes entwickelt dazu hauchdünne Polymerfolien mit elektronischen Eigenschaften. Sie funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip wie Touchscreens, berührungsempfindliche Bildschirme. Im einfachsten Fall lassen sie sich etwa auf dem Handrücken tragen, während man mit den Fingern der anderen Hand darauf tippt und wischt. „Das kennen die meisten Menschen bereits vom Smartphone“, sagt Steimle.

Doch die Haut bietet noch viel mehr Möglichkeiten. So lassen sich mit einer berührungsempfindlichen Folie auf dem Zeigefinger elektronische Geräte allein durch winzige Bewegungen des Daumens steuern, der die Folie leicht antippt. Allerdings: „Die Geometrie der Finger ist kompliziert und verändert sich“, sagt Steimle. „Dafür entwickeln wir Folien, die nur wenige Mikrometer dünn sind, damit sie sich perfekt an die Form des Fingers anpassen und für den Träger fast nicht spürbar sind.“

Einige Folien reagieren auf Dehnungen, indem sich ihr elektrischer Widerstand verändert. So können sie erfassen, wenn ein Finger gebeugt wird, und die Bewegung direkt in ein elektrisches Signal umwandeln. Um dieses an einen Computer zu übertragen, verwenden Steimle und sein Team in den bisherigen Prototypen noch einfache Kupferdrähte. „Doch es ließen sich ohne Weiteres auch weiche Antennen in solche Folien integrieren, die die Steuersignale per Funk übertragen“, erläutert Steimle. Das würde nach einem ähnlichen Prinzip funktionieren wie das kontaktlose Bezahlen mit der Bankkarte: Dabei sendet ein externes Lesegerät elektromagnetische Wellen aus, die der Karte die für die Datenübertragung erforderliche Energie liefern.

Das Besondere an der Haut als Zugang zum Computer ist ihr Tastsinn. Um ihn auszunutzen, hat Steimles Forschungsgruppe sogenannte Tacttoos entwickelt. Diese Folien vermitteln dem Träger über schwache elektrische Wechselströme an einem bestimmten Punkt der Hautoberfläche das Gefühl einer Vibration. Über mehrere, wenige Millimeter voneinander entfernte Punkte hinweg ist es so möglich, auch ganze Schwingungsmuster zu erzeugen, die der Träger der Folie unterscheiden kann. Sie könnten zum Beispiel Symbole oder Richtungen darstellen.

Variation des Tastsinns

Die dafür verwendeten Folien sind so dünn, dass durch sie hindurch weiterhin auch ein normales Tastempfinden möglich ist. „Mit einem Tacttoo auf der Fingerspitze können wir die reale Empfindung beim Berühren eines Gegenstands gezielt mit Vibrationen überlagern – und damit beeinflussen, wie sich der Gegenstand anfühlt“, sagt Steimle. Das Ergebnis ist eine Art Augmented Reality für den Tastsinn – ein Überlagern der Wirklichkeit mit einer virtuellen Realität.

Doch Sensoren und Ausgabegeräte benötigen immer auch elektronische Schaltkreise, um sie auszulesen oder anzusteuern. Und die sollten sich idealerweise ebenfalls mit auf der Haut befinden. Unter dem Schlagwort „Epidermal Computing“ entwickeln Forscher und Ingenieure daher bereits Folien mit rudimentären Schaltkreisen, die ausschließlich aus weichen Bauteilen bestehen. Als Vorreiterin auf diesem Gebiet gilt Zhenan Bao von der University of Stanford in Kalifornien. Gemeinsam mit ihrem Team ist es der Wissenschaftlerin bereits gelungen, nur zwei Mikrometer kleine, weiche Transistoren mit einer Dichte von 42.000 Stück pro Quadratzentimeter auf dehnbaren Folien zu fertigen.

Dazu haben die US-Forscher einen neuartigen Prozess entwickelt, um elastische, elektronische Materialien mit Methoden strukturieren zu können, die auch in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen. Zwar sind sie noch weit entfernt von den Milliarden von Transistoren, die Halbleiterhersteller damit auf eine gleich große Siliziumfläche schreiben – aber simple, funktionierende Schaltungen, die sich auf der Haut tragen lassen, gibt es im Labor bereits.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…