Das menschliche Gehirn enthält etwa 86 Milliarden Neuronen. Sie kommunizieren über elektrische Impulse miteinander – und lösen so unter anderem Bewegungen der Muskeln aus. Wie elegant wäre es, wenn man sich den Umweg bisheriger Human Machine Interfaces vom Gehirn über die Muskeln bis zum Umlegen eines Schalters sparen und direkt mit den elektrischen Impulsen des Gehirns ein Gerät steuern würde? Tatsächlich machen das sogenannte Brain Computer Interfaces (BCI) oder Brain Machine Interfaces (BMI) möglich.

Geräte werden kleiner und preiswerter

Im Jahr 1925 zeichnete der deutsche Psychiater Hans Berger das erste menschliche Elektroenzephalogramm (EEG) auf. Seitdem hat sich die Technologie im Bereich der Gehirn-Computer-Schnittstellen und der Datenverarbeitung ständig verbessert. Seit mindestens zehn Jahren geht der Trend bei der EEG-Hardware dahin, die Geräte kleiner, drahtlos, tragbar und preiswerter zu machen. Bereits über relativ einfache Headsets können grundlegende Messungen der Gehirnströme erfolgen. Das ermöglicht auch immer mehr praktische Anwendungen außerhalb des Labors. Letztendlich könnten BCI nicht nur zur Steuerung von Neuroprothesen verwendet werden, sondern auch für alle computergestützten Geräte wie Smartphones, Tablets oder ein Smart Home. Zunehmend absehbar werden darüber hinaus immer weitere nicht-medizinische Use-Cases, die von der PC-Spieleindustrie hin zur simultanen Steuerung von Drohnenschwärmen reichen. Die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) arbeitet sogar an einem fortschrittlichen Kommunikationssystem auf Basis von BCI – mit der „Silent Talk“ genannten Lösung sollen Soldaten und Militärpersonal Befehle über telepathische Kommunikation erteilen.

Medizinische Anwendungen dominieren noch

Noch ist aber der Medizinsektor der dominierende Markt für BCI. „Aktive und passive BCI werden bereits eingesetzt, um die Bewegungskontrolle bei Parkinson mit tiefer Hirnstimulation zu verbessern, epileptische Anfälle zu detektieren oder Hirnerkrankungen zu diagnostizieren. Der digitale und technische Fortschritt bietet ungeahnte neue Möglichkeiten und hat ein breites wissenschaftliches und wirtschaftliches Interesse geweckt“, schilderte Prof. Florian Mormann von der Deutschen Gesellschaft für Klinische Neurophysiologie und Funktionelle Bildgebung (DGKN).

So können BCI auch die Hirnaktivität in Steuersignale für externe Geräte wie Prothesen, Roboter oder Exoskelette übersetzen. Bidirektionale BCI erlauben es darüber hinaus, das Gehirn gezielt elektrisch anzuregen, beispielsweise um ein Tastempfinden beim Steuern einer Prothese zu simulieren.

„Die Medizintechnik hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht“, so Prof. Dr. Alessandro Del Vecchio, Leiter des Neuromuscular Physiology and Neural Interfacing Laboratory (N-squared Lab) an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). „Allerdings gibt es noch viel Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Bereich der Feinmotorik, um zum Beispiel die Bewegung einzelner Finger gelähmter Hände zu ermöglichen.“ Gemeinsam mit dem Institut für Fabrikautomation und Produktionssystematik der FAU will das N-squared Lab eine Neuroorthese entwickeln, die die Handfunktion so weit wiederherstellt, dass die Patienten mehr als 90 Prozent der alltäglichen Aufgaben selbstständig erledigen können. „Unser Ziel ist es, die Finger und den Daumen der Hand unabhängig voneinander und mit hoher Kraft zu bewegen“, sagt Del Vecchio.

Genauigkeit steigern

Grundsätzlich kann bei BCI zwischen invasiven – die Schnittstelle wird ins Gehirn implantiert – , teilinvasiven und nichtinvasiven Systemen unterteilt werden. Nichtinvasive BCI haben aktuell noch den weitaus größten Umsatzanteil, denn sie ersparen dem Patienten einen aufwendigen und risikobehafteten chirurgischen Eingriff am Gehirn. „Wir haben bereits ein nichtinvasives BCI-System entwickelt, das es Menschen mit hoher Querschnittslähmung ermöglicht, mit willkürlicher Veränderung ihrer Hirnströme, Alltagsgegenstände zu greifen“, berichtet Prof. Dr. Surjo R. Soekadar, Einstein-Professor für Klinische Neurotechnologie an der Charité, und fügt hinzu: „Trotz der beachtlichen Fortschritte ist es bislang jedoch nicht gelungen, komplexe Handbewegungen mit einem solchen nicht-invasiven System zu steuern.“ Doch genau das will das Team um Prof. Soekadar erreichen: Es erprobt derzeit den Einsatz von ultragenauen Sensoren, sogenannten Quantensensoren, die Hirnaktivität mit einer wesentlich höheren Genauigkeit an der Kopfoberfläche messen können als EEG oder andere nichtinvasive Methoden. Grundlage der Hightech-Sensoren sind gasförmige Atome, die als Magnetfeldsonden fungieren und die auf die elektrischen Hirnsignale reagieren.

Chip im Gehirn

Noch einmal deutlich mehr und genauer können implantierte BCI Gehirnimpulse erfassen. Tatsächlich testen bereits Unternehmen wie Synchron oder Neuralink entsprechende Implantate am Menschen. Elon Musk war 2016 Mitbegründer von Neuralink und hat versprochen, dass die Technologie „es Menschen mit Lähmungen ermöglichen wird, ein Smartphone mit ihrem Gedanken schneller zu bedienen als jemand, der die Daumen benutzt“. Letztendlich aber soll der implantierte Chip das menschliche Gehirn leistungsfähiger machen, bis hin zu einem Verschmelzen des Gehirns mit Künstlicher Intelligenz. Aus Sicht von Prof. Mormann ist das nach heutigem Stand noch reine Zukunftsmusik: „Neuroenhancement bedeutet gezielte und spezifische Beeinflussung von Hirnaktivität. Voraussetzung dafür ist ein detailliertes und mechanistisches Verständnis dieser Aktivität. Unser Wissen dazu ist bislang allerdings noch viel zu unvollständig und lückenhaft.“

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Was ist ein Cobot?

Ein Cobot, oder kollaborativer Roboter, ist ein Roboter, der eine Reihe von Sicherheitsmerkmalen und Eigenschaften besitzt, die es ihm ermöglichen, nicht nur in der Nähe von Menschen zu arbeiten, sondern oft auch in Zusammenarbeit mit ihnen.

Seit einigen Jahren drängt eine neue Generation an Robotern auf den Markt, die die Automatisierung von Abläufen bei gleichzeitig geringen Kosten und unkomplizierter Zusammenarbeit mit Menschen ermöglicht: die Cobots. Prof. Dr. Robert Grebner, Präsident der Technischen Hochschule Würzburg-Schweinfurt: „Cobots sind ein wichtiger nächster Schritt auf den Weg in die Automatisierung komplexer Bewegungsabläufe. Überall, wo körperlich anstrengende und monotone Arbeiten stattfinden, werden Cobots die Arbeit für den Menschen erleichtern, indem sie in Arbeitsprozesse integriert werden.“

Um die Sicherheit des Menschen zu gewährleisten, sind quasi die gesamten Cobots eine einzige Mensch-Maschine-Schnittstelle. Denn nahezu jede ihrer Komponenten ist mit Sensorik ausgestattet, um Menschen zu erkennen. So ist es im Gegensatz zu klassischen Robotik-Anwendungen möglich, dass auf Schutzzäune oder ähnliches verzichtet werden kann.

32 Prozent Plus jedes Jahr

Der globale Markt für Cobots wächst von 1,23 Milliarden US-Dollar in 2022 auf 11,04 Milliarden US-Dollar in 2030

Quelle: Grand View Research

Wahrnehmung des Umfelds

So überprüft eine sensible Kraftüberwachung kontinuierlich Drehmoment und Drehzahl der verschiedenen Antriebe. Stößt der Roboter auf ein Hindernis – was auch ein Mensch sein kann – wird sofort die Bewegung gestoppt oder sehr vorsichtig und behutsam weitergeführt. Weitere Sensoren ermöglichen die Wahrnehmung des Umfelds. Die Roboter können so ihre Arbeitsweise frühzeitig anpassen, wenn sich ein Mensch nähert. Beim schwedischen Beleuchtungshersteller Fagerhult Belysning arbeiten zum Beispiel drei Cobots von Motoman. Die Roboter mit jeweils zehn Kilogramm Tragkraft übernehmen unter anderem komplexe Montageschritte. Die Besonderheit: Die Cobots wechseln zwischen klassischem Industrieroboter-Modus mit voller Geschwindigkeit und einem sicheren kollaborativen Modus. Dazu erkennen Sicherheitsscanner, ob sich ein Mitarbeiter dem definierten Sicherheitsbereich nähert und bremsen dann auf ein ungefährliches Tempo herab.

Je näher, desto langsamer

Das Sicherheitssystem „sBot Speed“ von Sick ermöglicht darüber hinaus eine adaptive Wahrnehmung des Umfelds: Durch die Koordination von Laserscanner und Sicherheitssteuerung wird der Roboter kontinuierlich verlangsamt, während sich eine Person weiter in den Arbeitsbereich des Roboters bewegt, bis er schließlich vollständig zum Stillstand kommt. Die Möglichkeit, die Betriebsbedingungen des Roboters automatisch an die Position von Personen im Umfeld anzupassen, schützt vor Unfallgefahren und verbessert gleichzeitig die Produktivität, denn Stillstandszeiten werden reduziert und Arbeitsabläufe optimiert.

Smarte Sicherheitszonen

Einen etwas anderen Ansatz verfolgt ein Forscherteam vom Fraunhofer IWU. Das Team teilte die Wahrnehmungsbereiche des Roboters neu ein – in smarte Zonen. Bei schnelleren Bewegungen „wächst“ eine solche Zone, um ein Kollisionsrisiko mit Menschen auszuschließen. Für die Umfelderfassung kommt dabei Lidar-Sensorik (Light Detection and Ranging), die über gepulstes Laser-Licht Objekte erkennt und kategorisiert, ebenfalls zum Einsatz wie Kameras. Die Kombination von Reaktionszeiten (Lidar: 50 Millisekunden, Kamera: 10 Millisekunden) und Überwachungsbereichen (Lidar: größere Bereiche; Kamera: Nahfeld) erlaubt nun schnellere Bewegungen des Roboters. Zwar muss bei menschlicher Annäherung auch weiterhin das Tempo gedrosselt werden, aber deutlich weniger als bisher: Rund 25 Prozent schnellere Roboterbewegungen bedeuten einen erheblichen Effizienzgewinn.

Sensoren effizient verdrahten

Die zahlreichen Systeme, die für die Sicherheit des Menschen sorgen, erfordern in traditionellen Roboterarchitekturen viele Kabelverbindungen für Sensoren und Aktoren. Deutlich reduzieren lässt sich der Verkabelungsaufwand durch den Einsatz der FSoE-Technologie, oder Fieldbus-Safety over EtherCAT. Fraunhofer IWU, NexCobot und Synapticon haben gemeinsam eine entsprechende Sicherheitsarchitektur entwickelt. Sie ist dezentral ausgelegt und ermöglicht ein sicheres Miteinander von Mensch und Roboter auch dann, wenn sich die Arbeitssituationen dynamisch verändern – bei deutlich reduziertem Verkabelungsaufwand. „Ein intelligentes Sicherheitssystem überwacht die relevanten Bereiche und passt die Robotersteuerung situativ an jede denkbare Interaktion zwischen Mensch und Roboter an“, betont Dr. Mohamad Bdiwi, Teamleiter Kollaborative Robotersysteme am Fraunhofer IWU. Ein weiterer Vorteil: Da die Sicherheit der Bewegungsabläufe direkt an der Antriebsachse überwacht wird, verstreicht deutlich weniger Reaktionszeit.

Handgeführtes Teaching

Doch nicht nur bei der Zusammenarbeit unterscheiden sich Cobots von klassischen Industrierobotern in ihrer Interaktion mit dem Menschen, auch beim Programmieren. Denn auch ein Mensch, der kein Roboter-Experte ist, soll dem Cobot schnell und einfach eine neue Aufgabe „beibringen“ können. Zum einen wird dabei auf grafische Programmiersysteme oder auch Apps für Tablets oder Smartphones gesetzt, die keine spezifische Ausbildung voraussetzen. Vor allem aber lernt der Cobot die Ausführung bestimmter Aufgaben, indem der Mensch ihn buchstäblich an die Hand nimmt: Der Mitarbeiter führt manuell den Roboterarm durch das geforderte Bewegungsprofil. Über zusätzliche Bedienknöpfe „am Handgelenk“ werden die jeweiligen Positionen gespeichert – so muss nicht immer jede Position auf dem Handbedienpanel des Roboters bestätigen werden. Durch das sogenannte handgeführte Teaching ist der Cobot sehr schnell einsatzbereit – Mensch und Maschine arbeiten hier tatsächlich Hand in Hand.

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Auch bei Land- und Baumaschinen rückt der Mensch immer weiter in den Mittelpunkt der Mensch-Maschine-Kommunikation. Das bedeutet, dass die Branche zunehmend herkömmliche Bedienkonzepte überdenken muss: „Die Baustelle der Zukunft ist ein stärker vernetzter Ort und die sogenannte Gamification wird eine wichtige Rolle spielen. Der demografische Wandel und die Vorlieben der Verbraucher drängen unsere Branche in Bereiche, die im Maschinensektor bisher unbekannt waren oder unzureichend genutzt wurden“, erklärt Vijayshekhar Nerva, Head of Innovation and Acceleration bei Doosan Bobcat EMEA.

Per Smartphone gesteuerter Lader

Anschaulich zeigt das die Fernsteuerung per Smartphone, die Bobcat entwickelt hat. Damit kann der Bediener seinen Kompaktlader innerhalb von Sekunden fernsteuern, ohne sich um zusätzliche Geräte kümmern zu müssen. Per Smartphone kann die Maschine in eine staubige oder potenziell unsichere Umgebung geschickt werden und erledigt dort ihre Arbeit, während der Bediener in sicherer Entfernung bleibt. Die Fernsteuerung kommuniziert über ein WLAN-Signal mit dem iOS-Gerät des Kunden und arbeitet in einer Reichweite von bis zu 100 Metern.

Bedienung per Touch

Doch auch die Bedienelemente in der Fahrerkabine entwickeln sich weiter. Da Land- und Baumaschinen über immer komplexere Funktionen verfügen, finden auch im Off-Road-Sektor Touchscreens zunehmend Einsatz. Denn mit ihnen lässt sich eine Vielzahl von Informationen gezielt aufrufen und anzeigen. Mit speziellen Druckgussgehäusen und robusten Klebetechnologien halten Touchscreens auch den in diesem Bereich unvermeidbaren Schlägen und Vibrationen stand. Dabei bietet der integrierte PCAP-Touch optimale Voraussetzungen für eine komfortable Steuerung von Maschinenfunktionen. PCAP steht für „Projected Capacitive Touch“. Bei dieser Technik wird eine Fenster- oder Glasoberfläche tastsensitiv ausgeführt, sodass die Benutzer agieren können, wie sie es von einem Tablet oder Smartphone mit Touchscreen gewöhnt sind.

Kommunikation per Vibration

Da der visuelle und akustische Sinneskanal des Maschinenführers im Arbeitsalltag eh schon stark gefordert ist, hat das Unternehmen elobau ein Vibrationsmodul für Joysticks entwickelt. Mithilfe bestimmter Vibrationsmuster lässt sich eine hochwertige taktile Rückmeldung erzeugen, die die Mensch-Maschine-Kommunikation effizienter gestaltet. Der Vibrationsmotor des Moduls wird von einem Elektronikmodul über den CAN-Bus angesteuert. Hersteller können über das CAN-Protokoll unterschiedliche Parameter wie Stärke, Dauer oder Anzahl der Vibrationen definieren. Diese Parameter erzeugen individuelle, auf die Anwendung angepasste und vor allem intuitive Vibrationseffekte. So lässt sich der zu transportierende Informationsgehalt deutlich erhöhen, verglichen mit einfachen punktuellen Klopfsignalen.

Adaptives Konzept

Mit der Vielzahl an Funktionen, die in heutigen Arbeitsmaschinen bedient werden müssen, wird die Bedienkonsole schnell unübersichtlich. Eine Lösung verspricht das Verbundprojekt aISA (adaptive Interfacesysteme im Ackerschlepper). Dabei wurde eine adaptive Armlehne entwickelt, die jeweils ausschließlich die Funktionen des aktuell verwendeten Anbaugeräts zur Verfügung stellt. Durch den Isobus kann sich die intelligente Bedienarmlehne adaptiv an jedes Anbaugerät anpassen, sobald dieses angekoppelt wird. Sie stellt dem Nutzer hinsichtlich Position, Verfügbarkeit, Visualisierung und Betriebsmodus jeweils eine optimale und ergonomische Schnittstelle zur Verfügung. Zu den Komponenten zählt unter anderem ein vielseitiger Joystick, der in Abhängigkeit von der benötigten Funktion vier unterschiedliche Positionen einnehmen kann, wobei er sich beispielsweise einfährt, wenn seine Funktion nicht erforderlich ist. Weitere Bedienelemente werden über eine rotatorische Bedieneinheit zur Verfügung gestellt. Jede Position stellt sich entsprechend des angekoppelten Arbeitsgerätes ein und präsentiert lediglich die gerade notwendigen Funktionen.

Automatisiertes Belastungsmanagement

Bei der Arbeit mit Bau- und Landmaschinen gibt es typischerweise Phasen sowohl sehr hoher als auch relativ geringer Belastung. „Verschiedene Studien haben gezeigt, dass das Wohlbefinden der Menschen am höchsten ist, wenn ein mittleres Beanspruchungsniveau vorliegt“, berichtet Professor Marcus Geimer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Eine Überbelastung führe dazu, dass der Fahrer sich nicht genügend auf die wichtigen Aspekte konzentrieren könne, Dinge übersieht und fehleranfälliger wird. Auf der anderen Seite ist auch eine Unterforderung – zum Beispiel durch eine vollständige Automatisierung – ein Problem. Die Langeweile, die dadurch entsteht, führe zu Müdigkeit und Konzentrationsverlust.

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Fahrerkabine 4.0“ wird am KIT deshalb eine „anpassungsfähige Mensch-Maschine-Schnittstelle“ für Landmaschinen entwickelt. Sie ist in der Lage, über Eye-Tracking das aktuelle Beanspruchungslevel der Fahrerinnen und Fahrer zu erkennen. Auch an einem Fitnessarmband, das mithilfe von Lichtsignalen den Puls ermittelt und so das Stresslevel messen kann, wird geforscht. Erkennt das System eine Überforderung, werden alle unwichtigen Informationen ausgeblendet. In Situationen der Unterforderung sollen dem Fahrer zusätzliche Aufgaben angeboten werden. „Sinnvolle Zusatzaufgaben für Phasen geringer Belastung kommen aus der Buchhaltung, dem Personal- oder Materialmanagement sowie dem privaten Aufgabenfeld“, erklärt Patrick Lehr vom Institutsteil „Mobile Arbeitsmaschinen“ am Institut für Fahrzeugsystemtechnik des KIT. Die Handlungsempfehlungen sollen künftig über eine auf Augmented Reality basierende Schnittstelle ins Sichtfeld des Fahrers projiziert werden, um die Kabine nicht mit Bedienelementen zu überladen.

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Vernetzte Infrastrukturen aus elektronischen und digitalen Technologien sollen das Leben in der Stadt positiv verändern. Energieeinsparungen, ein effizienterer Verkehrsfluss, mehr öffentliche Sicherheit und eine gesündere Umwelt sind nur einige der vielen Vorteile, die eine Smart City bieten kann.

Digital Signage als Schnittstelle

Die wichtigste Schnittstelle zwischen den Bürgern und der Smart City ist dabei sicherlich das Smartphone, über dass sich der Mensch mit der Infrastruktur vernetzen und mithilfe entsprechender Apps Informationen abrufen, aber auch liefern kann. Doch darüber hinaus ist auch das sogenannte Digital Signage eine wichtige Ressource für Verwaltung, öffentlichen Nahverkehr und Bürger.

So bieten digitale Infostelen der Firma ST-Digital in Luzern interaktive Stadtpläne, ein vielfältiges Informationsangebot und zusätzlichen Werbecontent. Smart City Maps erleichtern Passanten und Touristen dank des integrierten Touchscreens die Orientierung in der Innenstadt. Wegbeschreibungen, Wetterprognosen oder eine umfangreiche Informationsauswahl zu Zielen in der Umgebung sind weitere Beispiele für das Angebot. Die Firma Inputech bietet sogar digitale Anzeige- und Eingabesysteme, die optional mit visuellen Sensoren erweitert werden können. Somit werden Eigenschaften, wie beispielsweise Alter, Größe und Geschlecht des Passanten, erkannt, und die auf dem Display gezeigte Information wird gruppenspezifisch abgestimmt.

Robuste Signage-Lösung

Die Stadtverwaltung der Gemeinde Bussigny im Schweizer Kanton Waadt nutzt eine Digital Signage-Lösung für den Außenbereich, die es ihr ermöglicht, die Kommunikation mit den Bürgern an verschiedenen Standorten zu verbessern. Bei der Entwicklung standen die Verantwortlichen vor einigen Herausforderungen: Die Lösung für den Außenbereich sollte zum einen den Elementen standhalten, da sie das ganze Jahr über extremen Witterungsbedingungen ausgesetzt ist. Zum anderen sollte das System in einer öffentlichen Umgebung installiert werden und daher auch besonders stoßfest sein, um vor möglichen Schäden durch Vandalismus geschützt zu sein. Gefragt war eine Display-Lösung mit einem Stoßfestigkeitsgrad IK10 nach EN 62262. Eingesetzt wurden schließlich spezielle Outdoor Digital Menu Boards von Peerless-AV.

Die Smart City-Kioske des Herstellers verfügen über ein vollständig abgedichtetes, nach IP66 zertifizierte Design. Das verhindert das Eindringen von Fremdkörpern wie Wasser, Staub, Feuchtigkeit und Insekten in das Display. Wichtig gerade für die Aufstellung in der Stadt ist zudem eine hohe Temperaturfestigkeit: Die Displays arbeiten auch bei Betriebstemperaturen zwischen -35 °C bis 60 °C. Sie können mit einem optionalen IR-Touch-Overlay erweitert werden, das bis zu zehn Berührungspunkte erkennen kann. Gehäuse aus Edelstahl, Aluminium und eine entsprechende Lackierung bieten eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion und auch gegenüber Vandalismus. Zudem verfügt das Display über ein stoßfestes, gehärtetes Abdeckglas mit IK10-Einstufung.

Oberflächen schützen

Sensible resistive sowie kapazitive Touchscreens, aber auch Frontfolien-Tastaturen sind die wichtigsten Human Machine Interfaces im öffentlichen Bereich. Die Oberflächen der Eingabegeräte müssen dabei gegen vielfältige Umgebungsbedingungen geschützt werden, wie etwa Hitze, UV- oder EMV-Strahlung. Auch sollte sie resistent gegen Vergilbung sein. Neben einer kratzfesten Displayoberfläche und einem Splitterschutz bei Bruch muss sie jedoch auch vor Vandalismus geschützt werden. Erreicht werden kann das durch das Laminieren der Oberflächen mit speziellen Folien. Die zum Einsatz kommenden Folien und Laminierverfahren sind abhängig von der gewünschten Technologie (resistiv oder kapazitiv), der Oberfläche (Glas oder Kunststoff) sowie dem Einsatzbereich und den jeweiligen Umgebungsbedingungen. Touchscreens können zudem durch gehärtetes Schutzglas, was bis zu 10 Millimeter dick sein kann, geschützt werden. Eine alternative Option besteht darin, Sicherheitsglas zu verwenden, das so konzipiert ist, dass es in kleine, abgerundete Stücke zerbricht, wenn es zerstört wird.

Die Möglichkeiten intelligenter digitaler Schilder werden zurzeit erst noch erforscht. Sicher ist aber, dass sie es Städten ermöglichen, kontextbezogene und personalisierte Informationen für ihre Gemeinden bereitzustellen und so allen Beteiligten Vorteile bieten werden.

Was ist die IK-Norm EN 62262?

Die EN 62262 befasst sich mit der Widerstandsfähigkeit bzw. dem Stoßfestigkeitsgrad IK eines elektrischen Betriebsmittels gegen äußere mechanische Beanspruchung, insbesondere Schläge. Es gibt 12 Festigkeitsklassen, angefangen bei der niedrigsten Kategorie IK00 bis hin zur höchsten Klassifizierung IK11.

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Nicht weniger als die Zukunft des Internets soll es sein – das Metaverse. Im Kern geht es um eine neue, komplexe virtuelle Welt, in der man als digitaler Zwilling oder Avatar lebt und künftig eventuell auch arbeitet und alltägliche Aktivitäten unternimmt. Dabei gibt es zahlreiche Verbindungen mit der realen Welt: So können im Metaverse mit realem Geld virtuelle Güter gekauft werden. Hinter Avataren verbergen sich reale Personen, hinter virtuellen Maschinen reale Anlagenparks im Sinne eines digitalen Zwillings. „Das Metaverse ist eine der spannendsten Visionen unserer Zeit“, sagt Dr. Bernhard Rohleder, Hauptgeschäftsführer des deutschen Branchenverbands Bitkom.

Das Metaverse baut dabei auf Technologien auf, die bereits etabliert sind, wie zum Beispiel Augmented und Virtual Reality, Blockchain oder Künstliche Intelligenz. Die Verwendung von virtuellen dreidimensionalen Räumen, Objekten oder Personen zur Darstellung und Interaktion findet nicht nur in den Bereichen Unterhaltung, Marketing und eCommerce immer mehr Anwendung, sondern wird auch vermehrt in der Industrie-, Bildungs- und Dienstleistungsbranche erprobt und angewendet. Was den Nutzern von Computerspielen längst vertraut ist, wird aktuell als Potenzial in den verschiedensten Branchen entdeckt.

Realitätsnahe Interaktion

Ein zentraler Aspekt des Metaverse besteht in der potenziell realitätsnahen und simultanen Interaktion zwischen verschiedenen Nutzern sowie zwischen Nutzern und Maschinen. Die immensen Fortschritte bei der Hardware – sowohl auf der Ebene der Infrastruktur als auch der Human Machine Interfaces – waren Voraussetzung für die zunehmende Akzeptanz der neuen virtuellen Welt. Inzwischen drängen die großen Software-Unternehmen mit eigenen Hardware-Lösungen auf den Markt: Meta erwarb 2014 den VR-Headset-Entwickler Oculus und verkauft nun eigene Headsets unter dem Namen Quest 2. Apple hat in den letzten zehn Jahren mehrere Patente angemeldet und will eine eigene VR-Brille Anfang 2024 auf den Markt bringen. Aktuelle Systeme verwenden zusätzlich Controller, die durch Finger-, Hand- und Armbewegungen gezielte „Berührungen“ mit virtuellen Gegenständen ermöglichen. Auf der Infrastrukturseite verringern schnellere Glasfasernetze und die Einführung von 5G die Auswirkungen von Latenzzeiten und erhöhen die verfügbare Bandbreite.

Zusammenarbeit im virtuellen Raum

Damit sind heute auch „ernsthafte“ Anwendungen zum Beispiel im industriellen Umfeld möglich. So hat zum Beispiel Igus, ein Hersteller von Energieketten und Gleit- und Linearlagern aus Kunststoff, eine eigene virtuelle Welt geschaffen, in der Benutzer aus der ganzen Welt interagieren und an Projekten zusammenarbeiten, ohne dass eine physische Präsenz erforderlich ist. Mit Extended Reality-Technologien wie Virtual Reality und Augmented Reality lassen sich beispielsweise Automatisierungslösungen im virtuellen Raum planen, steuern und testen. „In der Zukunft werden wir sehen, wie die kollaborative Zusammenarbeit von Menschen im Metaverse und zum Beispiel die Steuerung von Robotern aus virtuellen Welten heraus die Art und Weise verändern, wie wir zusammenarbeiten“, sagt Marco Thull, Senior Marketing Activist bei Igus.

Die virtuelle Welt ertasten

In Zukunft könnte die virtuelle Welt dabei sogar im wahrsten Sinne des Wortes „begreifbar“ werden. Jürgen Steimle, Informatik-Professor der Universität des Saarlandes, möchte dies mittels hauchdünner elektronischer Folien erreichen, die wie Abziehtattoos auf den Körper aufgetragen werden können. Denn die meisten Anwendungen der erweiterten Realität haben eines gemeinsam: Sie sprechen nur oder hauptsächlich den Sehsinn an. „Der Tastsinn bleibt in der Regel außen vor, obwohl er ein ganz entscheidender Faktor dabei ist, wie wir unsere Welt wahrnehmen“, erklärt Jürgen Steimle, der die Forschungsgruppe zu Mensch-Computer-Interaktion an der Universität des Saarlandes leitet.

Steimles Team hat dazu im Projekt „Tacttoo“ eine hauchdünne, nur 35 Mikrometer dicke elektronische Folie entwickelt, die auf die Haut aufgetragen wird und dort nur durch elektrische Reize, ganz ohne bewegliche Teile, den Tastsinn stimulieren kann. Weil die Folie so dünn ist, können Gegenstände noch wie zuvor wahrgenommen und ertastet werden. So können nicht nur – wie schon mit anderen Lösungen möglich – haptische Erfahrungen für rein digitale Objekte erzeugt werden, sondern es lassen sich auch reale Objekte um andere Sinneseindrücke erweitern. So könnte die Technik beispielweise beim Produktdesign zum Einsatz kommen: Mit Hilfe von Augmented Reality und eines physischen Prototyps könnte die Haptik verschiedener Materialien ausprobiert werden.

Standards für offenes Metaverse

Damit das Metaverse breite Anwendung finden kann, müssen die verschiedensten Technologien für die kollaborative räumliche Datenverarbeitung integriert werden, von interaktiven 3D-Grafiken über physische Simulationen bis hin zur Online-Wirtschaft. Das Potenzial des Metaverse wird sich daher erst erschließen, wenn es auf einer Grundlage offener Standards aufgebaut ist. Dazu hat sich in 2023 das Metaverse Standards Forum gegründet, ein gemeinnütziges Konsortium, das keine eigenen Standards entwickeln will, sondern die verschiedenen Interessensgruppen des Metaverse zusammenbringt, um einen Konsens bei den Interoperabilitätsanforderungen zu schaffen. „Interoperabilität ist der Schlüssel dazu, dass das Metaverse sein volles Potenzial jenseits von isolierten Spielen, Erlebnissen und Welten entfalten kann“, so Neil Trevett, Präsident der Khronos Group und erster Präsident des Metaverse Standards Forum. „Die beispiellose Beteiligung am Forum zeigt das starke Interesse der Branche an einer umfassenden Zusammenarbeit, die notwendig ist, um diese Vision zum Leben zu erwecken.“

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Wer schon einmal ganz in einem Spiel versunken ist, der hat erfahren, was der Begriff „immersiv“ meint. Er leitet sich vom lateinischen „immersio“ ab, was so viel wie Eintauchen bedeutet. Übertragen auf Computerspiele beschreibt dieser Begriff, inwiefern ein Spieler in seiner eigenen Wahrnehmung ein Teil der Spielewelt wird. Neben der reinen Optik, zum Beispiel durch eine Ego-Perspektive, ist dabei auch die Interaktion mit der virtuellen Welt ausschlaggebend.

Vertraut sein mit digitaler Technik

Die Branche nutzt dazu alle Möglichkeiten, die moderne Human Machine Interfaces bieten – und ist so zu einem spannenden Experimentierfeld für neue Technologien geworden. „Gaming ist längst mehr als reine Unterhaltung. Durch interaktive Spielerlebnisse werden Nutzerinnen und Nutzer auf spielerische Weise mit moderner Technologie vertraut gemacht. Während sie in virtuelle Welten eintauchen, lernen sie intuitiv den Umgang mit digitalen Schnittstellen, Menüführungen und Steuerungsmöglichkeiten“, sagt Dr. Sebastian Klöß, Bereichsleiter Consumer Technology beim Bitkom. Diese Vertrautheit junger Menschen mit komplexen Mensch-Maschine-Schnittstellen macht sich heute selbst das Militär zunutze und setzt HMI ein, die eher Gaming-Controllern ähneln als militärischer Ausrüstung – viele Systeme können junge Soldaten und Soldatinnen so ohne intensive Schulung nutzen.

Haptisches Feedback im Controller

Um tatsächlich ein immersives Spielerlebnis zu erreichen, lassen sich die Hersteller immer wieder Neues einfallen. Das beginnt schon bei dem „einfachen“ Controller wie zum Beispiel der Playstation 5 von Sony: Sie macht durch haptisches Feedback in Form fein abstimmbarer Vibrationen das Spielgeschehen spürbar. Adaptive Trigger ermöglichen die Anpassung der analogen Schultertasten. So erhalten bestimmte Tätigkeiten im Spiel mehr Nuancen: schießen, Gas geben, springen und mehr. Darüber hinaus hat das Unternehmen kürzlich ein neues Controller-Design patentieren lassen, das zeigt, wie die Zukunft aussehen könnte: Die Idee ist, einen elastischen Bereich zu integrieren, der seine Form und Temperatur ändern und auf verschiedene physische Eingaben wie Drücken oder Reiben reagieren kann. Dies würde neue Möglichkeiten der Immersion eröffnen. So könnte der Controller beispielsweise intensive Spielmomente durch Wärme verstärken.

Dosierter Druck

Nicht so visionär, dafür aber bereits Realität sind Tastaturen mit Force Sensor-Technologie. Sie kommen unter anderem bei speziellen Gaming-Laptops zum Einsatz. Hier werden üblicherweise die W-, A-, S- und D-Tasten durch eine Kraftfunktion ergänzt und ermöglichen Spielern eine viel intuitivere, physische Bedienung. „Stellen Sie sich vor, Sie fahren auf der örtlichen Autobahn und Ihr Gaspedal ist auf nur zwei Optionen beschränkt: ‚Aus‘ oder ‚Vollgas‘. Die physikalische Realität sieht vor, dass die Beschleunigung davon abhängt, wie stark Sie auf das Gaspedal drücken oder wie stark Sie das Lenkrad drehen. Das ist der Unterschied, den die intelligente taktile Wahrnehmung von Peratech ausmacht“, erklärt Jim Thomas, CCO von Peratech. Das Unternehmen rüstet zum Beispiel die Gaming-Laptops Lenovo Legion 7i und 7 mit entsprechenden Force-Tasten aus.

Kopfbewegungen erfassen

Das Lenovo-Spitzenmodell kann zudem die Kopfbewegung des Spielers erfassen. Die integrierte Software-Lösung von Tobii Horizon nutzt dazu die eingebaute Kamera des Laptops. Die Spieler können so das Sichtfeld im Spiel mit ihren Kopfbewegungen steuern. Dreht ein Spieler seinen Kopf nach rechts, folgt die Kamera seinem Blick nach rechts. Das ist insbesondere bei Spielen hilfreich, in denen es wichtig ist, die Umgebung wahrzunehmen, wie bei Ego-Shootern oder Rennspielen.

Versinken in der virtuellen Realität

Richtig in ein Spiel eintauchen können Spieler durch die Technologien der Virtual Reality und Augmented Reality. Spezielle VR-Brillen lassen den Spieler in die künstlich erschaffene, virtuelle Welt versinken. Diese Headsets können Halterungen sein, in die ein Smartphone eingesetzt wird – wie etwa bei der Samsung Gear. Oder es handelt sich um sogenannte „Head Mounted Displays“, in die die gesamte Technik integriert ist, wie zum Beispiel die Hololens von Microsoft. Bei beiden Ansätzen steht der Spieler im Mittelpunkt, sein virtueller Blick folgt seiner eigenen Bewegung. Mit ihrer immersiven und interaktiven Natur hat die Virtual Reality die Art und Weise, wie Spiele erlebt werden, revolutioniert. Doch so richtig „immersiv“ wird das VR-Erlebnis erst durch Eingabegeräte, die speziell dafür entwickelt wurden, die virtuelle Welt realer erscheinen zu lassen.

Interagieren mit Objekten

Wie zum Beispiel der Oculus Touch: Diese Handheld-Geräte sind darauf ausgelegt, die Bewegungen der Hände in der virtuellen Welt nachzuahmen. Ausgestattet mit Sensoren, Tasten und Auslösern ermöglicht das System dem Spieler, mit Objekten zu interagieren und sich präzise und mühelos durch virtuelle Umgebungen zu bewegen. Der VR-Controller HTC Vive Wand verfügt zudem über haptisches Feedback – so kann der Spieler die virtuellen Objekte, mit denen er interagiert, sogar fühlen.

Spiel mit Körperbewegungen

Komplett realistisch wird das Spielerlebnis, wenn die Bewegungen des ganzen Körpers genutzt werden können, um die Figur durch die virtuelle Welt zu führen: Springen, Laufen, Knien – das alles erfassen Ganzkörper-Trackingsysteme wie Omni One von Virtuix. Dabei handelt es sich um ein omnidirektionales Laufband, das es den Spielern ermöglicht, in jeder Richtung durch Videospiele und andere virtuelle Umgebungen zu gehen oder zu laufen. Es wird derzeit mit einem Pico Neo 3 Pro-Headset mit 6DoF-Technologie (6 Degrees of Freedom) und zusätzlichen Handcontrollern zum Hand- und Gestentracking ausgeliefert.

Mit dem Avatar mitfühlen

Wem das immer noch nicht reicht, der kann zukünftig mit seinen Figuren aus dem Spiel auch realistisch mitleiden. Der Spieleanbieter Ubisoft will für sein Game „Assasins’s Creed Mirage“ zum Beispiel ein Shirt mit haptischem Feedback anbieten. Durch das Haptic Gamingsystem von OWO soll der Spieler Empfindungen am Körper erfahren, die mit den Aktionen in dem Spiel korrespondiert. „Dank der bahnbrechenden Technologien und der Expertise von OWO sind wir in der Lage, die Spieler auf innovative und verbesserte Weise in die Welt, die Geräusche und das Gefühl von Assassin‘s Creed Mirage eintauchen zu lassen“, so Fabian Salomon, Lead Producer bei Ubisoft Bordeaux. Die Empfindungen, die das Shirt vermitteln kann, reichen von starkem Wind oder freiem Fall bis hin zu Messerstichen. Das System lotet damit auch die Grenzen der Immersion aus.

Nahtlose Interaktion

Die Zukunft der VR-Controller geht jedoch noch darüber hinaus. Unternehmen wie Neurable arbeiten an Brain-Computer-Schnittstellen, mit denen Spieler virtuelle Umgebungen mit ihren Gedanken steuern können. Das Unternehmen, eine Ausgründung der University of Michigan, entwickelt neurotechnische Referenzdesigns, APIs und Funktionen, die auch außerhalb von Laborbedingungen funktionieren und in Alltagstechnologien integriert werden können. Neurable lizenziert seine Technologie für Kopfhörer, Ohrstöpsel und AR-Geräte. Dr. Ramses Alcaide, CEO bei Neurable, ist sich sicher: „Dies ist erst der Anfang für die Neurotechnologie. Wir stehen an der Schwelle zu einer ethisch vertretbaren, nahtlosen Beziehung zwischen den Menschen und ihrer Technologie.“

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Das Licht wird per App gesteuert, das smarte Thermostat schaltet die Heizung bei offenem Fenster automatisch ab, der Staubsaugerroboter startet per Sprachbefehl: Smart Home-Geräte sind längst etabliert, der Markt ein boomendes Milliardengeschäft. Die Analysten von Brainy Insights schätzen, dass der weltweite Smart Home-Markt von 90 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 auf 657,41 Milliarden US-Dollar im Jahr 2032 anwachsen wird. Damit ist dieser Markt ein wesentlicher Treiber für Human Machine Interfaces – denn HMI sind die entscheidende Komponente im intelligenten Zuhause, um Smart Home-Geräte nahtlos in das tägliche Leben der Bewohner einzubinden.

HMI als Erfolgsfaktor

Dabei steht die Weiterentwicklung der HMI und der damit verbundenen Funktionalitäten in engem Zusammenhang mit der wachsenden Nachfrage nach Smart Home-Geräten. In einer Umfrage, die der weltweit tätige Auftragsfertiger Jabil zusammen mit SIS International Research unter 200 Entscheidungsträgern für Smart Home-Lösungen und -Geräte durchführte, gaben 39 Prozent an, dass intuitive Mensch-Maschine-Schnittstellen der wichtigste Faktor für den Erfolg ihrer Smart Home-Lösung sind.

Multitouch und Bildschirme

In der Jabil-Umfrage gaben 84 Prozent der Befragten an, dass sie derzeit Multitouch- und Display-Bildschirme in ihrer Smart Home-Lösung verwenden – die zweithäufigste Antwort. Darüber hinaus erwarten 43 Prozent, dass ihre Kunden auch in Zukunft Displays zur Interaktion mit den Smart Home-Lösungen verwenden werden. Ein Studienteilnehmer hob dabei einen Vorteil besonders hervor: „Ein intuitives Touchscreen-Display, einfache Bedienelemente, die die Nutzung erleichtern, und ein durchdachtes Design sorgen dafür, dass [das Gerät] leicht zu reinigen und zu warten ist.“

Bedienung per Sprachbefehl

Sprachassistenten wie Google Home und Amazon Alexa haben die Bedienung von intelligenten Geräten im Zuhause revolutioniert. „Das Smart Home ist zum Haupteinsatzgebiet für die Sprachsteuerung von Geräten geworden“, sagte der damalige Präsident des Branchenverbandes Bitkom Achim Berg bereits 2022.

Systeme wie Alexa oder Siri arbeiten über die Cloud – das sorgt immer wieder für Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes. Denn die Daten verlassen das Smart Home und könnten von Dritten genutzt werden. Tatsächlich gaben mehr als drei Viertel (76 Prozent) der Hersteller bei der Jabil-Umfrage an, dass sie HMI-Interaktionen wie zum Beispiel Sprachbefehle nutzen, um Daten über ihre Smart Home-Lösungen zu erfassen. Mehr Sicherheit bezüglich des Datenschutzes bieten Systeme, die die Sprachverarbeitung lokal durchführen: So verfügt die Peaknx-Gebäudesteuerung über die Offline-Sprachsteuerung von ProKNX. Diese Funktion agiert autonom und benötigt keine Internetverbindung, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Die gesprochenen Befehle werden lediglich lokal verarbeitet und verlassen das Gebäude nicht. Eine Aufzeichnung findet ebenfalls nicht statt. So wird ganz nach dem Motto „What’s said at home, stays at home“ die Privatsphäre der Bewohner jederzeit gewahrt.

Holografie ist keine Science-Fiction

Die COVID-19-Pandemie löste eine massive Nachfrage nach berührungslosen HMI aus, die eine Interaktivität wie ein Touchscreen ermöglichen, ohne dass die Gefahr einer Kontamination besteht. Eine der effektivsten Möglichkeiten, dies zu erreichen, sind holografische Projektionen. Entsprechende HMI erzeugen ein holografisches Bild eines Bedienelements, indem der Inhalt eines Displays durch eine spezielle holografische Platte gelenkt wird. Neben einer Winkelablenkung findet dort eine konvergente Bündelung der Strahlen statt, die ein frei im Raum schwebendes virtuelles Bild erzeugt. Unterhalb des virtuellen Bildes wird ein Infrarot-Touchsensor montiert. Dessen Strahlengang wird beim „Berühren“ des Bilds unterbrochen. Die Unterbrechung wird als Touch-Ereignis ausgewertet. Während Hersteller von öffentlichen Touchpoints bereits holografische HMI zur „keimfreien“ kontaktlosen Bedienung einsetzen, befinden sich Applikationen für den Smart Home-Bereich eher noch im Entwicklungsstadium – zum Beispiel für Kaffeemaschinen oder intelligente Fitnessgeräte. Immerhin verwenden bereits vier Prozent der Befragten in der Jabil-Umfrage Hologramme in ihren HMI-Lösungen.

Gestensteuerung wenig gefragt

Wie bei den holografischen HMI hat COVID-19 die Nachfrage nach Lösungen mit Gestenerkennung deutlich steigen lassen. Etwas mehr als ein Drittel der Teilnehmer an der Jabil-Umfrage setzen derzeit diese Technologie für ihre HMI ein. Allerdings erwarten nur drei Prozent von ihnen, dass ihre Kunden auch zukünftig die Gestenerkennung zur Interaktion mit ihren Produkten nutzen. Dagegen könnten Gesichtserkennung und Eye-Tracking-Lösungen Marktanteile bei Smart Home-HMIs gewinnen. Mit derartigen Lösungen könnte unter anderem die Zugänglichkeit von Smart Home-Geräten für Menschen mit Bewegungs- oder Sprachbehinderungen verbessert werden – man könnte einfach auf ein Bedienfeld schauen, um die Raumtemperatur oder die Lautstärke des Fernsehers zu ändern, anstatt eine Fernbedienung zu benutzen oder einen Befehl auszusprechen.

Fernsteuerung auf modernste weise

Wichtigste HMI im Smart Home ist allerdings das Smartphone: In Deutschland steuern laut Bitkom 85 Prozent ihre Smart Home-Anwendungen und -Geräte per Smartphone-App, 20 Prozent per Fernbedienung. In Zukunft werden zusätzlich Wearables zur Steuerung von Smart Home-Geräten eingesetzt, wie auch die in der Jabil-Studie befragten Hersteller erwarten.Wenn der Bewohner sein Zuhause betritt, können Geräte wie Smartwatches oder Fitnesstracker zukünftig beispielsweise ein Signal an das Smart Home-Netzwerk senden, um automatisch die Beleuchtung, Heizung oder den Fernseher zu aktivieren.

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Bis zum Jahr 2030 will die EU die Zahl der Verkehrstoten und -verletzten halbieren. Ein ehrgeiziges Unterfangen, das von der Vorgabe hochmoderner Fahrzeugtechnologien bis hin zur Modernisierung der Infrastruktur alles umfasst. Doch ein Faktor spielt dabei eine besonders große Rolle: der Mensch. Mehr als 90 Prozent aller Unfälle werden durch menschliche Fehler verursacht. Neben Verstößen wie Geschwindigkeitsüberschreitungen und Fahren unter Alkoholeinfluss spielt es eine wichtige Rolle, ob der Fahrer müde oder abgelenkt ist. Laut der Europäischen Kommission sind 10 bis 20 Prozent der Unfälle und Beinaheunfälle auf Müdigkeit zurückzuführen.

Warnsysteme vorgeschrieben

Um dieses Problem anzugehen, hat die Europäische Kommission im August 2021 eine Verordnung veröffentlicht, die seit Juli 2022 den Einsatz von Systemen zur Müdigkeits- und Aufmerksamkeitswarnung (Driver Drowsiness and Attention Warning: DDAW) vorschreibt. Sie bewerten die Wachsamkeit des Fahrers, indem sie andere Fahrzeugsysteme wie die Lenkung und die Spurhaltung analysieren, und warnen den Fahrer bei Bedarf.

Den Blick im Blick

Sich ausschließlich auf die Daten anderer Fahrzeugsysteme zu verlassen, reicht jedoch nicht unbedingt aus, um den Zustand eines Fahrers zu beurteilen. Daher müssen in der EU ab Mitte 2024 Neufahrzeuge mit einem sogenannten ,Advanced Driver Distraction Warning (ADDW) System‘ ausgerüstet sein. Die ADDW-Lösungen der ersten Generation stützten sich in erster Linie auf die Augenbewegungen des Fahrers: Eine Kamera mit CMOS-Bildsensor beobachtet dabei den Fahrer – mithilfe von unsichtbarem Infrarotlicht. „Das Infrarotlicht erzeugt eine Reflexion auf der Hornhaut des Auges, die von der Kamera eingefangen wird“, erläutert Martin Wittmann, Marketingleiter für den Bereich Sensorik bei OSRAM Opto Semiconductors. „Über die Verfolgung der Blickrichtung können wir sehen, ob der Fahrer den Blick auf die Straße gerichtet hat. Die Größe der Pupille zeigt zudem an, wie wach der Fahrer ist. Schließlich können wir auch an den Bewegungen der Augenlider erkennen, wenn der Fahrer müde wird.“ Ist dies der Fall, warnt das System den Fahrer und lenkt seine Aufmerksamkeit wieder auf die Straße.

Auch die Gesundheit wird überwacht

Müdigkeit oder mangelnde Aufmerksamkeit sind allerdings hochkomplexe Zustände, daher erfassen Lösungen der neuesten Generation neben der Augenbewegung weitere Parameter. So hat das Unternehmen Smart Eye in seine Fahrerüberwachungs-Software auch eine Erfassung der Vitaldaten integriert.

Mithilfe von KI-Methoden analysiert die neue Funktion mehrere physiologische Signale, um die Herz- und Atemfrequenz des Fahrers genau zu bestimmen. Smart Eye nutzt insbesondere die ,Remote-Photoplethysmographie (rPPG)‘, eine berührungslose, kamerabasierte Methode, die Schwankungen der Lichtreflexion von der Haut misst und so eine Schätzung der Herzfrequenz ermöglicht. Eine weitere Methode ist die Mikrobewegungsanalyse, die es der Software ermöglicht, subtile Veränderungen der mit der Atmung oder dem Puls verbundenen Bewegungen zu erkennen, die für das menschliche Auge nicht erkennbar sind. „Durch die Integration der Erkennung von Herz- und Atemfrequenz in die Software des Fahrerüberwachungssystems bieten wir einen noch tieferen Einblick in den Zustand und die Gesundheit des Fahrers“, sagt Henrik Lind, Chief Research Officer bei Smart Eye. Das kann sich als lebensrettend erweisen, wenn beispielsweise ein Fahrer einen Herzinfarkt oder Krampfanfall erleidet.

Radar, Kamera und KI kombiniert

Eine noch genauere Erfassung des Fahrerzustands erlauben Multisensorsysteme, wie sie zum Beispiel die drei Unternehmen emotion3D, Chuhang Tech und SAT gemeinsam entwickeln wollen. Dabei leitet die Software zur „Menschenanalyse“ von emotion3D Informationen über den Fahrer aus Kamerabildern ab, während die Radarlösungen von Chuhang Tech die Vitalparameter des Fahrers analysieren. Diese beiden Messmethoden werden mit den Algorithmen zur Vorhersage des Einschlafens von SAT kombiniert. Wogong Zhang, CTO und Mitbegründer von Chuhang Tech: „Wir glauben, dass unsere gemeinsame Lösung, die Radartechnologie mit fortschrittlichen Bildgebungsalgorithmen kombiniert, die Müdigkeitserkennung revolutionieren wird.“

Sicherheit für automatisiertes Fahren

Fahrerüberwachungssysteme werden vor allem im Hinblick auf die zunehmende Automatisierung des Fahrens immer wichtiger. Denn je autonomer ein Fahrzeug wird, umso besserer Sicherheitssysteme bedarf es – etwa um zu überwachen, ob ein Fahrer bereit ist, die Steuerung über das Auto in einer schwierigen Situation übernehmen zu können. „Gerade sehr gut und zuverlässig funktionierende Systeme insbesondere etwa in den Bereichen Abstandsregelung und Spurhalten verleiten aber viele Verkehrsteilnehmer dazu, sich auch anderen Aufgaben als dem Fahren zuzuwenden“, erklärte Jann Fehlauer, Geschäftsführer DEKRA Automobil, bei der Vorstellung des DEKRA Verkehrssicherheitsreports 2023. Mehrere schwere Unfälle seien schon die Folge einer solchen Fehleinschätzung gewesen.

Fahrerüberwachung stößt noch auf Ablehnung

Der Großteil der Fahrzeuglenkerinnen und -lenker steht einer elektronischen Überwachung der Fahrerin oder des Fahrers, dem sogenannten Driver Monitoring, zur Fahrerzustandserkennung noch skeptisch gegenüber. Das zumindest zeigt eine Studie des Versicherungsunternehmens Allianz. Danach stimmen lediglich 39 Prozent der Befragten einer Kamera- oder Infrarotabtastung von Augen, Gesicht oder Kopf zu, bei der die Technik anonymisiert nur Ablenkung erkennt. „Für das Driver Monitoring besteht noch Überzeugungsbedarf“, sagt Christoph Lauterwasser, Leiter des Allianz Zentrums für Technik. „Es soll dabei nicht um Bevormundung gehen, sondern um Unterstützung. Die neuesten Fahrzeug- und Verkehrstechniken ermöglichen es, Fahrerinnen und Fahrer bei Ablenkung zu warnen. Schon diese Rückmeldung kann zu einer positiven Verhaltensänderung beitragen. Das sollten wir nutzen, um den Straßenverkehr für uns alle sicherer zu machen.“

1,3 Millionen Menschen

sterben laut Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation WHO jedes Jahr bei Verkehrsunfällen weltweit.

Bei Unfällen, in denen Ablenkung eine Rolle spielte, verletzten sich 2021 in Deutschland 8.233 Menschen, 117 starben, das sind knapp fünf Prozent aller Getöteten (2.562).

Quelle: Statistisches Bundesamt

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Enger geht die Interaktion eigentlich nicht: „Wir arbeiten buchstäblich an der Schnittstelle von Mensch und Maschine“, erklärt Prof. Dr. Claudio Castellini, Professor für Medizinrobotik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Er und sein Team erforschen, wie Prothesen weiter verbessert und zuverlässiger gemacht werden können. „Prothesen für die oberen Gliedmaßen haben sich in den letzten Jahrzehnten technologisch stark weiterentwickelt.“ Ein Glas anheben, die Faust ballen, mit dem Zeigefinger eine Telefonnummer tippen – hochmoderne robotische Hände können mithilfe biomedizinischer Technologie bereits Erstaunliches bewerkstelligen. Als Human-Machine-Interface wird dabei etwa die Oberflächen-Elektromyographie eingesetzt: Hautelektroden erfassen am verbliebenen Armstumpf feinste Muskelregungen. Diese Biosignale werden konvertiert und als elektrische Impulse auf die Prothese übertragen. Die „Gezielte Muskelreinnervation“ (Targeted Muscle Reinnervation, TMR) ist dabei eine bewährte Behandlungsmethode. In einem chirurgischen Eingriff werden die Nerven im Stumpf, die zuvor den Arm und die Hand gesteuert haben, mit einer neuen Funktion versehen. Sie werden aus dem umliegenden Gewebe herausgelöst und passgenau an Muskeln in intakten Körperregionen angeschlossen. Dies ermöglicht dem Patienten, seine spätere Armprothese über „Gedankensignale“ zu steuern.

Stellt der Anwender sich vor, seinen Phantomarm zu bewegen, geben die Nerven die Signale an die neue Zielmuskulatur weiter, sodass diese angespannt wird. Dabei entstehen elektrische Signale im Millivoltbereich, die von Elektroden im Prothesenschaft gemessen werden. Ein Minicomputer analysiert die Signale und setzt diese in die beabsichtigte Bewegung um. Um mehrere Gelenke gleichzeitig zu bewegen, werden TMR-Armprothese mit bis zu sechs Elektroden ausgestattet. Dadurch kann der Anwender bis zu sechs Bewegungen durch unabhängige Muskelsignale steuern. „Der Träger oder die Trägerin steuert die Handprothese also selbstständig mit dem Armstumpf“, erklärt Prof. Castellini. „Durch Methoden der Mustererkennung und des interaktiven Maschinellen Lernens kann der Mensch der Prothese zudem seine individuellen Bedürfnisse beim Ausführen einer Geste oder einer Bewegung beibringen.“

Bewegungsmuster erkennen

Die europaweit erste Prothesensteuerung mit Mustererkennung hat die Firma Ottobock auf den Markt gebracht. Sie misst mit acht Elektroden Bewegungsmuster der Muskeln im Unterarmstumpf und ordnet diese bestimmten Handbewegungen zu. Greift der Patient also nach einer Flasche Wasser, erkennt die Prothesensteuerung das zugehörige Bewegungsmuster und gibt der Prothese den Befehl, den jeweiligen Griff oder die Rotation auszuführen. Das geschieht automatisch. Der Patient kann selbstständig mit einer App die Prothesensteuerung kontrollieren und die gemessenen Bewegungsmuster visualisieren. Dadurch kann der Patient trainieren, diese Muster unterbewusst noch gezielter abzurufen.

Absichten vorhersehen

Doch auch diese sehr fortschrittlich anmutenden robotischen Prothesen sind im Hinblick auf Komfort, Funktion und Kontrolle noch nicht ausgereift. Das EU-Horizont-Projekt „IntelliMan“ befasst sich deshalb damit, wie diese effektiver und zielgerichteter mit ihrer Umwelt interagieren können. Fokus dabei ist die sogenannte „Intent Detection“, (deutsch: Absichtserkennung). Prof. Castellini und sein Team entwickeln dazu die Erfassung und Analyse der menschlichen Biosignale weiter und entwerfen innovative Algorithmen des Maschinellen Lernens, um individuelle Bewegungsmuster einer Person auszumachen. „Wir nutzen die Möglichkeiten der Absichtserkennung zur Steuerung von assistiver und rehabilitativer Robotik“, erklärt der Wissenschaftler. „Dazu gehören am Körper tragbare Roboter wie Prothesen und Exoskelette, aber auch Roboterarme und Simulationen in der Virtual Reality.“

Direkte Schnittstelle mit dem Gehirn

Nicht nur Menschen, die Gliedmaße verloren haben, sondern auch denen, die beispielsweise aufgrund einer Rückenmarksverletzung, eines Schlaganfalls oder einer anderen Krankheit ihre Hände oder Beine nicht bewegen können, kann moderne Technik helfen. Sogenannte Brain Computer Interfaces (BCI) stellen dabei eine direkte Verbindung zwischen dem menschlichen Gehirn und technischen Systemen her und ermöglichen die Kontrolle eines Geräts allein mittels Hirnaktivität.

Einer der führenden Hersteller von implantierten Elektroden ist Blackrock Neurotech. Dessen Arrays erfassten bisher Daten aus dem Gehirn über 600 Kanäle. Jetzt hat der US-amerikanische Hersteller ein BCI vorgestellt, das mit mehr als 10.000 Kanälen arbeitet – was eine exponentielle Steigerung der Fähigkeiten ermöglicht. „Wenn unser bisheriges BCI Menschen mit nur sechshundert Kanälen helfen kann, sich zu bewegen und wieder zu fühlen, stelle man sich vor, was wir mit zehntausend oder mehr Kanälen erreichen können“, so Florian Solzbacher, Mitbegründer und Präsident von Blackrock Neurotech. Er plant, mithilfe des neuen BCI bis 2028 eine Sehprothese zu entwickeln. „Dies ist ein Vorgeschmack auf das, was in der Zukunft mit BCI möglich sein wird.

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Heutzutage erfordert die Bedienung komplexer CNC-Werkzeugmaschinen noch eine mehrjährige Ausbildung und solide technische Kenntnisse. Doch die Branche leidet zunehmend unter einem Mangel an entsprechend qualifizierten Fachkräften. Die Hersteller reagieren darauf, indem sie Maschinen entwickeln, die intuitiv zu bedienen sind. Aktuelle Werkzeugmaschinen sind in der Lage, durch integrierte Feedbacksysteme und der Anzeige von visuellen Handlungsaufforderungen die Bedienbarkeit so zu vereinfachen, dass auch wenig erfahrene Bediener in kurzer Zeit das Handling der Maschine verstehen.

Intuitive Bedienoberflächen

Ein Beispiel hierfür ist das Bedienkonzept „C.O.R.E.“ des Werkzeugmaschinenherstellers United Grinding, das in 2022 von der Jury der UX Design Awards für die User- und Customer Experience ausgezeichnet wurde. Kern des Human-Machine-Interface ist ein Multitouch-Display, das auf Tasten weitestgehend verzichtet. Selbsterklärende Icons vereinfachen die Navigation durch das Maschinenmenü und die Prozessschritte. Jeder Bediener kann sich seine Bedienoberfläche individuell konfigurieren. Über einen RFID-Chip mit hinterlegtem Rollenprofil identifiziert sich der Anwender und „seine“ Oberfläche wird automatisch aufgerufen. „Uns war es wichtig, dass die neue Bedienung alle Generationen von Nutzern anspricht“, erläutert Christoph Plüss, CTO der United Grinding Group. „Wir haben uns daher an den Bedienkonzepten orientiert, die heute in der Konsumelektronik weit verbreitet sind und mit denen praktisch jeder aus dem Alltag vertraut ist.“

Fernbedienung per Smartphone

Dazu gehören mehr und mehr auch kabellose HMI-Lösungen, die über Wi-Fi und Bluetooth verbunden werden können. Sie bieten ein Maximum an Bewegungsfreiheit und Flexibilität. Zunehmend wird auch darüber nachgedacht, bei der Maschinenbedienung auf Industrie-Hardware zu verzichten und stattdessen Standardgeräte aus dem Consumer-Bereich zu verwenden. Schon heute ist es üblich, dass Maschinendaten per App auf einem Smartphone oder Wearable abgerufen werden können. Allerdings ist eine wirkliche Bedienung der Maschine aktuell nur für die nicht zeitkritische Ablaufsteuerung realistisch, denn Consumer-Geräte verfügen nicht über die erforderliche Sicherheitsarchitektur, um die funktionale Sicherheit zu gewährleisten. Angesichts der Tatsache, dass Smartphones und Tablets vor allem durch ihre einfache Handhabung bestechen, könnte diese Technik aber durchaus die Automatisierung in naher Zukunft bestimmen.

Sprachgesteuerte Benutzerschnittstellen

Vor allem als Ergänzung traditioneller grafischer Benutzeroberflächen werden zunehmend auch sprachgesteuerte Benutzerschnittstellen in industrielle HMI-Konzepte eingebunden. Durch die steigende Genauigkeit und Leistungsfähigkeit der Technologie zur Verarbeitung natürlicher Sprache (NLP) können Maschinen damit komplexe Sprachbefehle verstehen und entsprechend reagieren. Das Unternehmen Voice Inter Connect bietet zum Beispiel eine Sprachsteuerung für Industrieanwendungen als fertiges Kit an. Echtzeitfähigkeit, KI-basierte semantische Analysen und Algorithmen für Beamforming und Noise-Cancelling sorgen für hohen Bedienkomfort und Audioqualität. Das System kann zudem akustisches Feedback in Form von Eingabeaufforderungen oder Text-to-Speech für die Sprachausgabe aufbereiten. Dank lokaler Sprachverarbeitung benötigt die Sprachsteuerung keine Internetverbindung und erfüllt damit hohe Ansprüche an Sicherheit und Datenschutz.

OK per Geste

Eine natürliche Ergänzung der Mensch-Maschine-Schnittstellen für Werkzeugmaschinen könnte auch eine Gestensteuerung sein. Doch „die Bedienung von Maschinen über Interfaces ist sehr visuell geprägt“, wie Prof. Dr.-Ing. Katrin Wolf, Leiterin der Forschungsgruppe „Human-Computer-Interaction“ an der Berliner Hochschule für Technik erläutert. Noch würden Handbewegungen kaum für die Interaktion genutzt. Eine Begründung hierfür: „Für die Menschen ist es unbequem, Gesten zu erlernen und anschließend korrekt auszuführen, ohne visuelles Feedback oder Unterstützung bei Fehlern zu erhalten.“ Im Forschungsprojekt WINK erforscht das Team um Prof. Wolf daher, wie sich Rückmeldungen über taktile Reize geben lassen. Dafür konstruieren die Wissenschaftler spezielle Armbänder für den Unterarm, die spürbare Signale an die Haut übertragen können. Die Forscher kooperieren dabei mit der Firma Trumpf. Der Werkzeugmaschinenhersteller will die Arbeit mit einem Lasercutter effizienter machen. An einer Seite schieben die Bediener die Stahlplatten in die Industriemaschine, auf der anderen Seite kommen zugeschnittene Bauteile heraus. Dort überprüfen die Angestellten deren Qualität. Sind fehlerhafte Zuschnitte darunter, müssen sie auf die andere Seite der Maschine gehen und an einer Tastatur den Befund vermerken. Die Idee: Mit einer simplen Handbewegung, etwa in Form eines Hakens, der ein „OK“ symbolisiert, könnten die Mitarbeiter der Maschine Rückmeldung geben, ohne hin- und hergehen zu müssen. Zur Gestenerkennung kommt bei Trumpf ein Armband von Kinemic zum Einsatz. Es erkennt zweidimensionale Gesten anhand der Bewegung, gibt jedoch nur Ton sowie Vibration über einen verbauten Motor zurück. Das Team um Prof. Wolf will aber komplexere Vibrationsmuster realisieren und dazu mehr Motoren integrieren. Ein Prototyp existiert bereits. Dennoch: „Der Einsatz von Haptik für die Steuerung digitaler Geräte wird noch viele Jahre ein Forschungsfeld bleiben“, ist Prof. Katrin Wolf überzeugt.

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