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Kurzinfo in Stichworten:  
  • Kontaktpunkte und -zonen 
  • Informationsübermittlung per Tastatur und Bildschirm 
  • Datenaustauschraten zwischen Mensch und Maschine 
  • intuitiver Informationsaustausch 
  • Sprache, Blickkontakt, Körpersprache 
  • menschenzentrierte Schnittstelle 
  • reflektorische Signale des Nutzers 
Kapitel: 

   Ergonomie/ Human Factor 

   Visuelle Komponenten 

   Haptische Komponenten 

   Sonstige Komponenten 

   Komponentenintegration 

   Folgerungen / Ausblick 

   Autor 

Technologien für die Mensch-Maschine-Interaktion: 

Auf dem Weg zur menschenzentrierten Schnittstelle 
 

Das Vordringen computerisierter Technik in allen Lebensbereichen stellt beständig neue Anforderungen an die Gestaltung der Kontaktpunkte und -zonen, an denen Menschen und Technik interaktiv aufeinandertreffen. Diese Mensch-Maschine-Schnittstellen (MMS) unterliegen einem kontinuierlichen Wandel, der einerseits durch die Sachzwänge rasch voranschreitender technologischer Entwicklung und andererseits für die Verbesserung der Arbeitsbedingungen des Menschen erforderlich ist. Hinzu kommt, daß konventionelle Methoden wie insbesondere die Informationsübermittlung per Tastatur und Bildschirm bezüglich der Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit heutiger Computer einen reinen Anachronismus darstellen. 

Die Weiterentwicklung von MMS ist daher im wesentlichen gekennzeichnet von Bestrebungen, ihre Effektivität in Bezug auf Datenaustauschraten zwischen Mensch und Maschine zu erhöhen. Die hierzu erforderliche Datendichte und -komplexität kann dem Menschen nur noch in aufbereiteter Form über eine mehrere Sinne ansprechende multimediale Schnittstelle zugänglich gemacht werden. Als Konsequenz stehen wir vor dem Übergang zur menschenzentrierten Schnittstelle, d.h. einer hochintegrierten quasi-intelligenten Schnittstelle, die sich ihrem jeweiligen Nutzer anpaßt. 

Ziel ist es, intuitiven Informationsaustausch mit einem computergesteuerten System über Sprache, Blickkontakt, Körpersprache sowie andere Sinne zu ermöglichen, ohne nutzerseitig dafür ein eigenes Regelwerk erlernen zu müssen. Dabei wird die menschenzentrierte Schnittstelle in der Lage sein, reflektorische Signale des Nutzers, wie z.B. typische Schreckreaktionen, von willkürlichen Steuersignalen zu unterscheiden, und entsprechend darauf zu reagieren. 
 
Grundlagen: Ergonomie und Human Factors  

Die Ergonomie als Teildisziplin der Arbeitswissenschaften befaßt sich mit der wissenschaftlichen Untersuchung sämtlicher Aspekte der physischen und psychischen Einbettung des Menschen in sein Tätigkeitsumfeld. Sie erarbeitet u.a. die Grundlagen für die Neu- und Weiterentwicklung von MMS. Ein zentraler Bestandteil ergonomischer Untersuchungen ist die Analyse der menschlichen Faktoren (Human Factors), jener Fähigkeiten, Fertigkeiten und Eigenschaften, die das Zusammenwirken von Mensch und Maschine beeinflussen. Bewertet werden objektive leistungsbezogene Daten, wie z.B. der Zeitbedarf für die Ausführung bestimmter Tätigkeiten, Fehlerraten, psycho-physiologische Werte wie EKG, EEG, Lidschließfrequenz und Hautwiderstand, aber auch subjektive Aussagen von Menschen über ihre Eindrücke und persönlich empfundene Beanspruchung im Umgang mit der Schnittstelle bzw. Maschine. 

Ein zentrales Mittel zur Analyse der Human Factors ist die bemannte Simulation, die sich besonders gut zur separaten Evaluation verschiedenster subjektiver, objektiver und apparativer Einflüsse auf die Effizienz der MMS eignet. Deshalb wird sie zunehmend im Rahmen psycho-physiologischer Grundlagenforschung eingesetzt. Die bemannte Simulation erlaubt durch Umordnung oder Austausch einzelner Komponenten des Gesamtschnittstellensystems, wie z.B. Displays, Eingabetools, Sitzgelegenheit etc., eine schnelle aufgaben- und personenbezogene Optimierung bzw. Neukonzeption multimedialer MMS. Hierbei ist es unerheblich, ob es sich bei dem System um Konzepte für moderne Büroarbeitsplätze, einen komplett besetzten Schiffsleitstand oder ein Kampfjetcockpit handelt. Sie ermöglicht aber auch, situationsgebundene wie allgemeine kollektive und individuelle Verhaltensmuster (z.B. Gestik, Mimik des Nutzers) in der Kommunikation mit der Maschine oder als Reaktion auf äußere Reize zu differenzieren und diese weichen Faktoren in die Erkennungsroutinen quasi-intelligenter Schnittstellensysteme einzuarbeiten. 

Ebenso wichtig ist die Analyse menschlicher Informationsrezeptionsbedürfnisse. Sie dient der Verbesserung des Informationszugangs und hilft, benutzergerechte Informationsstrukturen und -umgebungen zu schaffen. Der Wert von Informationen ist immer situationsbezogen, und die Information selbst sollte an das kognitive Modell des Benutzers anpaßbar sein. Nur so kann sie dann auch nutzergerecht aufbereitet und über eine intuitive multimediale Schnittstelle übermittelt werden. 
 
Visuelle Komponenten  

Den visuellen Komponenten der MMS kommt besondere Bedeutung zu, da der Mensch ca. 80 % aller Informationen über die Augen aufnimmt. Am weitesten verbreitet sind hierbei Displays. Man teilt sie nach ihren physikalischen Eigenschaften in aktive und passive ein. Aktive Anzeigen erzeugen das emittierte Licht selbst, passive wie Flüssigkristallanzeigen nutzen separate Lichtquellen. Generell ist in der Displaytechnik der Trend zu immer kompakterer Bauweise und geringerem Energieverbrauch bei Verbesserung von Bildwiederholrate, Kontrast und Auflösung sowie zusätzlich der Strahlungsemission von Kathodenstrahlröhren zu beobachten. 

Hervorzuheben ist für diese relativ alte Technologie die aktuelle Neu- und Weiterentwicklung geeigneter Phosphore mit erhöhter Farb- und Leuchtkraft, wodurch die Strahlintensität verringert und das Lochmaskenraster verkleinert werden kann. Displaytechnologien für flache Bauweise sind in Reihenfolge ihrer derzeitigen Marktbedeutung 

  • Flüssigkristallanzeigen (LCDs) 
  • Plasmaanzeigen (PDs) 
  • Elektrolumineszenzanzeigen (ELDs) 
  • Feldemissionsanzeigen (FEDs) und 
  • Vakuum-Fluoreszenzanzeigen (VFDs)  
Auf PDs, ELDs und FEDs soll zur Heraushebung ihres Potentials etwas näher eingegangen werden. Plasmaanzeigen erzeugen ihr Licht durch Xenon-Gasentladung und arbeiten im Gegensatz zu Kathodenstrahlröhren auch unter sehr starken magnetischen Störfeldern unbeeinflußt. Sie sind die kurzfristig einzige verfügbare Flachbildtechnologie mit großer Bilddiagonale. Nachteilig sind ihr hohes Gewicht und die große konstruktionsbedingte RGB-Pixelgröße von derzeit etwa 1 mm. 

Elektrolumineszenzdisplays sind sehr flache, durchsichtige, selbstemittierende Festkörperbauelemente von einfachem Aufbau. Sie eignen sich insbesondere zur Hinterleuchtung von LCDs oder großflächigen Symbolen, aber auch zum Überlagern relevanter Informationen über andere Anzeigeinstrumente. Vor allem in letzterer Funktion finden sie zunehmend Anwendung. 

Feldemissionsdisplays benötigen sehr starke elektrische Felder zur kalten Emission von Elektronen aus Mikrospitzen, die in Lochgittern angeordnet sind. Sie lassen sich mikrosystemtechnisch über relativ einfache Lithographieprozesse herstellen und funktionieren wie mikroskopische Elektronenstrahlröhren. 

Sehr großes Entwicklungspotential haben Diamant-FEDs, deren Herstellung ohne kritischen Maskenprozeß auskommt und deutlich billiger als die Thin-Film-Transistor-(TFT)-Fertigung ist. Sie werden absehbar zu TFT-LCDs in Konkurrenz stehen. Alle dieser Displaytypen lassen sich durch Integration druck- oder wärmesensitiver Folien zu Ein-/Ausgabemedien aufwerten. 

Auch organische Substanzen, die bereits mit niedriger Spannung zum Leuchten angeregt werden können, bieten enormes Anwendungspotential. In einzelnen Farben erreichen sie heute schon ein Vielfaches der flächenbezogenen Leuchtkraft herkömmlicher Fernsehbildschirme. Man unterscheidet organische LEDs (OLEDs) und lichtemittierende Polymere (LEPs). Letzteren wird derzeit das größere Marktpotential zugeschrieben, da sie sich u.a. in Fadenform spinnen und textilartig verarbeiten lassen. Durch ihre materialinhärente Flexibilität und Robustheit, das geringe spezifische Gewicht und die Möglichkeit zu extrem flacher Bauweise eröffnen sie eine Vielzahl neuer Anwendungsfelder, werden aber auch in direkter Konkurrenz sowohl zu LCD-Displays als auch den großflächigen Anzeigen stehen. Hinzu kommt ihre relativ geringe Störanfälligkeit bzgl. Strahlungen und Feldern. 

Für viele Anwendungen sind die Möglichkeiten herkömmlicher Bildschirme nicht ausreichend. Die Aufweitung des Blickfeldes von fixer Bildschirmgröße über die Begrenzung durch die Augenapertur hinaus erfolgte über 2D-Projektionstechniken, die auch mit 3D-Visualisation kombiniert werden können. Etabliert haben sich die Domprojektion und ihre Abwandlungen, z.B. Caves. Hier wird die computergenerierte Realität auf die Innenseite eines Raumes projiziert. Der Nutzer kann sich innerhalb der physikalischen Begrenzungen frei in der virtuellen Realität bewegen. Diese räumliche Beschränkung wird umgangen durch die Projektion der virtuellen Realität auf kleine Bildschirme vor den Augen des Nutzers, brillenähnliche Helmet-Mounted Displays (HMDs) oder Head-Up Displays (HUDs). Sie können sichtfeldabdeckend oder transparent gestaltet sein.  Bei letzterer Option läßt sich die virtuelle Realität überlagernd über die freie Außensicht einspiegeln, was zum Konzept der „Augmented Reality“ (aufgewerteten / verbesserten Realität) führte. 

Neueste Entwicklungsansätze untersuchen die Möglichkeiten der lasergestützten direkten Projektion von Bildern auf die Netzhaut des Auges, auch wieder überlagernd oder abdeckend (VRD, Virtual Retina Display). Bei mit dem Kopf verbundenen Systemen wird die virtuelle Rundumsicht entweder durch eine bewegungsempfindliche und ortsauflösende Sensorik in diesen Systemen gewährleistet, oder durch mustererkennungsgestützte Software nach Justierung auf einen realen optischen Bezugspunkt. Sensorik bzw. Mustererkennung ermöglichen das Nachführen des projizierten Sichtfeldes entsprechend den Bewegungen des Nutzers, derzeit mit Verzögerungen im Bereich von Millisekunden. Mit verbesserter Rechnerleistung ist kurzfristig eine subjektiv als verzögerungsfrei empfundene Nachführung zu erwarten. 

Nach wie vor in der Diskussion zur 3D-Darstellung statischer und bewegter Bilder stehen holographische Verfahren, bei denen der räumliche Eindruck durch Interferenzmuster kohärenten Lichtes erzeugt wird. Neue Ansätze der Elektroholographie untersuchen einerseits die Verwendung von Flüssigkristallanzeigen, andererseits das Potential piezoelektrischer Kristalle zur Interferenzmodulation. Ein fundamental neues 3D-Displaykonzept nennt sich Crossed-Beam Display (CBD). Es ermöglicht eine echte volumetrische, gleichzeitig von vielen Betrachtern dreidimensional aus fast allen Richtungen lagerichtig einsehbare Darstellung graphischer Datensätze. 

Die Bilderzeugung erfolgt in einem speziellen optisch aktiven durchsichtigen Werkstoff, der in zweckmäßiger Form, z.B. als Würfel, hergestellt wird. Durch zwei über Scannersysteme gesteuerte Infrarot-Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge werden in deren jeweiligen Schnittpunkten die Materialpartikel zum Leuchten angeregt. Die Farbgebung erfolgt über die Auswahl geeigneter optischer Materialien und die Laserwellenlängen. So können in jedem Punkt dieses Displays sogenannte Voxel (Volumen-Pixel) erzeugt werden. CBDs werden mittelfristig für viele Anwendungen als wesentliches Arbeitshilfsmittel gesehen. 

Die informationsvermittelnden optischen Komponenten werden zunehmend durch informationssammelnde ergänzt. Hierbei handelt es sich heute im wesentlichen um CCD-Kameras, die direkt digital verarbeitbare Signalmuster an die Recheneinheit der MMS weiterleiten. Diese Systeme bilden eine wesentliche Grundlage für kommende menschenzentrierte Schnittstellen. Dabei liegt ein wesentliches Problem in der Umsetzung analysierter Human Factors (vorerst kommunikative Gestik / Bewegungsabläufe, später auch Körpersprache / Mimik) in geeignete softwarebasierte Erkennungsroutinen. Es ist zu erwarten, daß Fortschritte v.a. in den Bereichen Künstliche Intelligenz und Parallele Rechnerarchitektur / Neuronale Netze hierfür brauchbare Lösungen bereitstellen werden. 
 
Haptische Komponenten  

Haptische Schnittstellen („Begreifen durch Greifen und Fühlen“) sind von zunehmender Bedeutung für den interaktiven Informationsfluß. Ganz wesentlichen Anteil daran haben Entwicklungen, die diesen Tools die bei der Umstellung von direkter analoger auf indirekte digitale Effektorik verlorengegangene Dynamik zurückgeben. Damit ist gemeint, daß neuere haptische Schnittstellen wieder des Benutzers Bewegungsfluß und –dynamik sowie dabei aufgewandte Kraft aufnehmen und umsetzen können, und das verzögerungsfrei und ggf. viel präziser als ihre analogen Vorfahren. 

Genauso können sie z.B. über Elektromotoren, elektrorheologische Dämpfer oder Vibroaktoren Rückstellkräfte oder andere äußere Einflüsse simulieren und damit nicht sichtbare Informationsgehalte vermitteln. Sie ermöglichen es auch, in der computergenerierten virtuellen Realität (VR) an virtuelle Gegenstände anzustoßen oder das Gefühl eines Greifwiderstandes zu erfahren, also virtuelle Objekte dinglich und manipulierbar zu machen. Typische Tools hierfür sind Joystick, Steuerknüppel und -pedale oder VR-Handschuhe und -Anzüge. Von steigender Bedeutung insbesondere für sehbehinderte Nutzer sind taktile Displays, die ähnlich den Braille-Lesegeräten mit beweglichen Stiftchen arbeiten und virtuelle Texturen und Objekte vermitteln. 
 
Sonstige Komponenten  

Weitere wichtige Bestandteile der MMS sind Audiokomponenten sowie zunehmend, v.a. im Trainingsbereich, olfaktorische (geruchgebende) Hilfsmittel. Verbesserungen im Audiobereich zielen auf der informationsvermittelnden Seite hauptsächlich auf eine realitätsnähere und intensivere 3D-Auflösung akustischer Signale bei gleichzeitiger Verkleinerung oder Neuentwicklung der dazu benötigten Quellen ab. Als Beispiel sei genannt, daß festes wie bewegliches Inventar von Räumen (Wandpanele, Schreibtischplatten etc.) für die Schallgenerierung nutzbar wird. 

Auch spielt die Einbeziehung des Infraschalls, der vom Körper gespürt, aber nicht gehört wird, eine zunehmend wichtige Rolle. Er eignet sich nach bisherigen Erkenntnissen je nach Modulation insbesondere zur unterbewußten Alarmierung oder Beruhigung, wirkt also auf unterbewußtemotionaler Ebene, und kann ggf. im Rahmen eines Biofeedback auf Körperfunktionen Einfluß nehmen. 

Auf der informationssammelnden Seite liegen die Defizite weniger bei den Schallwandlern (Mikrophonen) selbst, sondern in ihrer möglichst ergonomischen Anordnung in der MMS, und v.a. in der nachgeschalteten Spracherkennung. Auch hier werden Soft- und Hardwareentwicklung zumindest mittelfristig für Abhilfe sorgen. 

Olfaktorische Komponenten, die für situationsgerechte Geruchsreize sorgen, sind in bemannten Simulatoren seit kurzem im Einsatz. Besonders bewähren sie sich im Training von Brandbekämpfungssituationen, wo alleine der Geruch schon wesentliche Hinweise auf das brennende Material geben kann – und so gezielte Gegen- und Selbstschutzmaßnahmen oft erst ermöglicht. 

Eine ganz andere Ebene der Mensch-Maschine-Interaktion stellt die Einbeziehung menschlicher Biopotentiale dar. Erste Erfolge bei der Nutzung von Gehirnströmen als Steuersignale eröffnen die Möglichkeit, langfristig zu einer neuen Art von Schnittstelle zu gelangen. Aktuelle Untersuchungen bemühen sich einerseits um eine strukturierte örtliche oder formale Zuordnung elektrischer Signale aus der Großhirnrinde zur Aktivierung bestimmter Muskeln, andererseits um die Zuordnung neuronaler Antworten zu externen Reiztypen. Im ersteren Fall ist z. Zt. im wesentlichen an direkt steuerbare Prothetik gedacht, wie sie von der Neurobionik entwickelt wird. Im letzteren Fall ist eines der Hauptprobleme das Herausfiltern des ereigniskorrelierten Potentials (der hirnelektrischen Reizantwort, einige µV) aus dem viel stärkeren Signalrauschen des nicht reizgebundenen Spontan-EEG (bis zu ca. 100 µV). Hierzu sind bisher viele Wiederholungen ein und desselben Reizes nötig. 

Auf der anderen Seite laufen Versuche zur rein zerebralen Bewegungssimulation, für die elektrische Signale an das Bewegungssensorium im Innenohr (Labyrinth) geliefert werden. Hierdurch würden beispielsweise langanhaltende Beschleunigungsvorgänge in Flugsimulatoren realitätsnäher vermittelbar. Weitere interessante Aspekte sind die Untersuchung des Einflusses verschiedener Bewußtseinstechniken auf Gehirnaktivität und Wellenmuster sowie der Schulbarkeit von Testpersonen, bestimmte ungebundene hirnelektrische Signale oder Muster willentlich zu erzeugen. 
 
Integration der Komponenten  

Größte Herausforderung für den Aufbau multimedialer MMS stellt die schlüssige Aufbereitung und Verschmelzung von Daten aus den unterschiedlichsten informationssammelnden und –bereitstellenden Quellen einschließlich der Interpretation der Bedarfslage des MMS-Nutzers. Hemmende Faktoren gibt es in großer Zahl, seien es fehlende Standards für Datenformate, die Datenübertragungs- und –verarbeitungsraten, oder geeignete Software. Allerdings existieren für viele Anwendungsbereiche fortgeschrittene spezifische Insellösungen, wie beispielsweise im Bereich „Augmented Reality“, im „Büro der Zukunft“ oder für moderne avionische Systeme. 

Die Augmented Reality als Unterkonzept von Knowledge-On-Demand ermöglicht es, z.B. über transparente HMDs mehr Informationen zu sehen, als das betrachtete reale Objekt bietet. So können z.B. komplexe Installations-, Wartungs- oder Bedienungsanleitungen bildlich über das jeweilige Objekt projiziert werden. Genauso ist es möglich, Soldaten im Einsatz über zusätzliche Kommunikations- und Navigationseinheiten ein individuelles Lagebild zu vermitteln. 

Das „Büro der Zukunft“ ist ein umfassendes Konzept, durch welches computerunterstütztes kooperatives Arbeiten in häufig wechselnden realen und virtuell repräsentierten Teams erleichtert werden soll. Hierzu zählen z.B. die Integration von Raumelementen wie Wände oder Möbel mit Informations- und Kommunikationstechnik zur sog. Roomware. Genauso wichtig ist hierbei die Gestaltung des Bürogebäudes an sich, da es eine flexible und dynamisch konfigurierbare Arbeitswelt bereitstellen muß. Ein solches „Kooperatives Gebäude“ ist für sich schon eine MMS. 

Moderne avionische Systeme, v.a. in Kampfjets, entkoppeln den Piloten durch ein zwischengeschaltetes Computersystem vom direkten Einfluß auf das Geschehen. Die Avionik mit hocheffizienter Sensorik soll den Piloten mit lagegerechter Information versorgen und ihn von herkömmlichen Routinearbeiten entlasten. Die Informationsvermittlung erfolgt dabei im wesentlichen über multifunktionale Displays. 
 
Schlußfolgerungen und Ausblick  

Es ist unschwer zu erkennen, daß den vielfältigen Vorteilen hochentwickelter MMS einige wenige, aber gravierende Nachteile gegenüberstehen. Bei den subjektiven bzw. ethischen Negativpunkten handelt es sich im wesentlichen um die Orwell´sche Big-Brother-Problematik und den Aspekt „gläserner Mensch“. Hinzu kommt die Frage der ethischen Vertretbarkeit neurobionischer Implantattechnik, durch die z.B. Bereiche des Gehirns Bestandteil einer MMS werden. 

Die objektiven Nachteile resultieren alle aus der fortschreitenden Abhängigkeit des Menschen und seiner Entscheidungen von High-Tech-Instrumentarien. Diese bieten zwar einen weit über die baren menschlichen Sinnesfähigkeiten hinausreichenden Radius der Informationsbeschaffung, –filterung und –aufbereitung, können aber durch die Abkopplung des Menschen von seiner realen Umgebung und direkter Reaktion oder Einflußnahme auf sie sowie durch die Möglichkeit massiver technischer Störung (intern wie extern) zu erheblichen Risikofaktoren werden. 

Das spielt natürlich bei verteidigungsrelevanten Systemen eine ganz andere Rolle als im Büro der Zukunft. Dementsprechend sind in den unterschiedlichen Anwendungsfeldern für MMS auch völlig unterschiedliche zugrundeliegende Auswahl- und Entwicklungskriterien anzutreffen. Insofern läßt die Zukunft, u.a. durch Diversifikation, einige interessante Entwicklungsaspekte erwarten. So werden z.B. je nach situativem Gefährdungspotential (wie Brandherd, Gefechtsfeld) oder Zugänglichkeit (wie Tiefsee- oder extraterrestrische Forschung) neben klassischen On-Site- vermehrt neue Remote-Control-Systeme zur Anwendung kommen. Gerade bei letzteren wird eine effiziente Präsenz des Menschen als Entscheidungsträger durch vertiefte Einbettung in die VR nur über neue multimediale MMS überhaupt möglich. 

Bei On-Site-Systemen hingegen, die den Menschen am Einsatzort umgeben, kann eine zu innige Verknüpfung mit der MMS zu schädlicher Wahrnehmungsverschiebung mit Realitätsverlust und Abwälzen von Verantwortlichkeit auf technische Systeme führen. Es gilt also, bei der Zusammenführung von Mensch und Technik auf jene Ausgewogenheit zu achten, die zu einer optimale Nutzung der Technik führt. Dieser Balanceakt wird sich auf absehbare Zeit zunehmend schwieriger gestalten, denn für eine universal einsetzbare perfekte menschenzentrierte Schnittstelle mangelt es derzeit nicht nur an technischen Voraussetzungen. 
 

Stefan Reschke
Fraunhofer-Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen
Appelsgarten 2
D-53879 Euskirchen
 


Quelle:
Wehrtechnischer Report (2000), Nr.4
Report Verlag, Bonn
  
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© ADOLPH Verlag GmbH - Letztes Update 03.05.2004