Maschinen sollen fühlen lernen

Mit TAI-CHI durchs Fernsehprogramm zappen

Den menschlichen Tastsinn auf Maschinen zu übertragen, ist das Ziel eines aktuellen Forschungsprojekts an der TU Clausthal im europäischen Verbund. Es gibt fünf unterschiedliche menschliche Sinne und die dazugehörigen Reize. Das menschliche Gehirn kann den Ort und die Art der Berührung der Haut bestimmen. Das kann eine Maschine nicht ohne weiteres leisten. Der Frage, wie sich sich der menschliche Tastsinn auf Maschinen übertragen lässt, geht Wolfgang Rolshofen in seiner Forschungsarbeit an der TU Clausthal im Institut für Maschinenwesen nach.

Es geht in dem EU-Forschungsprojekt „Tangible Acoustic Interfaces for Computer-Human Interaction (TAI-CHI)“ (übersetzt: Berührbare akkustische Schnittstellen zwischen Computer und Mensch) um die Interaktion zwischen Mensch und Maschine, die ein akkustischer Reiz auslösen kann. Gezielt erzeugte Schallwellen sollen Maschinen steuern. Die Einsatzmöglichkeiten für diese Technik sind vielfältig. Die Wissenschaftler des Projekts stellen sich vor, dass der Gast im Restaurant einfach auf den Tisch klopft, um eine Bestellung aufzugeben. Denkbar ist auch, den Türschlüssel zu ersetzen, indem bestimmte Bereiche der Türfläche in einer festgelegten Reihenfolge wie ein Code berührt werden oder vom Fensehsessel aus den Sender im Fernseher durch Klopfsignale zu wechseln.

Neben Partnern aus Großbritannien, Frankreich, Italien und der Schweiz arbeiten an der TU Clausthal im Institut für Maschinenwesen Mitarbeiter daran, ein geeignetes Verfahren zu entwickeln, um die Klopfsignale örtlich zu bestimmen und so das Zusammenspiel zwischen Mensch und Maschine zu ermöglichen.

Die Grundlage für das Verfahren sind SchallwelIen, die sich nach einer Berührung in einem Festkörper aus Stahl, Holz oder Glas ausbreiten. Beim Klopfen, Berühren oder Kratzen über solche Objekte wird eine Schallwelle erzeugt, die sich dann in Abhängigkeit der Materialparameter ausbreitet. Die Wissenschaftler des Forschungsprojekts arbeiten an einer Technik, um die Quelle oder den Ursprungsort und die Ausbreitung des akkustischen Signals zurückzuverfolgen. Verwandt ist die Technologie mit dem Prinzip der Holographie, das alltäglich auf EC- oder Kreditkarten bewundert werden kann. Im TAI CHI-Projekt wird das Verfahren vom optischen auf den akustischen Bereich übertragen. Wellen lassen sich in Abhängigkeit ihrer Frequenz durch Amplitude und Phase beschreiben. Die Amplitude gibt die Stärke an und die Phase zeigt die Schwingung zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem Ort. Mit diesen Informationen der akustischen Welle soll der Ort der Quelle angegeben werden.

Zudem werden in dem TAI-CHI Projekt neben der akustischen Holographie weitere Verfahren untersucht und eingesetzt. Das sind Laufzeitmessung und Zeitumkehr des Signals. Für die Laufzeitmessung kann bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle im Festköper durch die jeweilige Signallaufzeit zu den Sensoren der Abstand zur Quelle bestimmt werden. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass eine ausgiebige Trainings- bzw. Kalibrierungsphase nötig ist, in der der Sensor lernt die Signale lokal einzuordnen. Mit nur einem Messsensor ist ein erfolgreiches Lokalisieren durch das Zeitumkehrverfahren möglich.

Im Rahmen des Projektes sind Prototypen entstanden, die hinsichtlich Genauigkeit der jeweiligen akustischen Signale weiter untersucht und verbessert werden, so dass das zappen durch das Fernsehprogramm durch Klopfen auf den Tisch demnächst nicht mehr zur Science-Fiction gehört.