Hasso-Plattner-Institut
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Pedro Lopes

Interactive Systems Based on Electrical Muscle Stimulation

Wie können interaktive Geräte auf unmittelbare und eng verknüpfe Weise mit dem Nutzer kommunizieren? Diese Frage beschäftigt die Forschung im Bereich Computer Interaktion seit Jahrzehnten. Besonders in den letzten Jahren haben wir miterlebt, wie Nutzer interaktive Geräte dauerhaft bei sich führen, im Falle von sogenannten Wearables sogar als Teil der Kleidung oder als Accessoires. In beiden Fällen sind die Geräte näher an den Nutzer gerückt, wodurch sie mehr Informationen vom Nutzer sammeln können und daher persönlicher erscheinen. Die Hauptfrage, die unsere Forschung antreibt, ist: Was ist der nächste logische Schritt in der Entwicklung interaktiver Geräte?

Mache Wissenschaftler argumentieren, dass die Haut nicht mehr die Barriere für die nächste Generation von interaktiven Geräten sein wird, sondern dass diese direkt in den Körper der Nutzer implantiert werden. Zum Teil ist dies auch bereits passiert, wie Herzschrittmacher oder Insulinpumpen zeigen. Wir argumentieren jedoch, dass Geräte sich in Zukunft nicht zwingend innerhalb des Körpers befinden müssen, sondern sich an der richtigen „Schnittstelle" befinden sollen, um die Funktion des Gerätes zu ermöglichen.

Um diese Entwicklung voranzutreiben haben wir Geräte entwickelt, die Teile des Körpers selbst als Ein-und Ausgabe-Schnittstelle verwenden, anstatt weitere Geräte an den Körper anzubringen.

In dieser Dissertation zeigen wir eine bestimmte Art dieser Geräte, nämlich solche, die Muskeln verwenden. Wir haben Ein-/ Ausgabegeräte gebaut, die mit dem Nutzer interagieren indem sie Muskelaktivität erkennen und kontrollieren. Um Muskelaktivität zu kontrollieren benutzen wir Signalgeber von medizinischer Qualität, die mithilfe von auf die Haut geklebten Elektroden elektrische Signale an die Muskeln des Nutzers senden. Diese Signale bewirken dann eine Kontraktion des Muskels.

Geräte zur elektrischen Muskelstimulation (EMS) werden seit den 1960er-Jahren zur Regeneration von motorischen Funktionen verwendet. In dieser Dissertation schlagen wir jedoch einen neuen Ansatz vor: elektrische Muskelstimulation als Kommunikationskanal zwischen Mensch und interaktiven Computersysteme.

Zunächst stellen wir unsere sieben interaktiven Prototypen vor, welche die zahlreichen Vorteile von EMS demonstrieren. Diese Geräte können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: (1) Geräte, die Nutzern Zugang zu Information direkt über ihre propriozeptive Wahrnehmung geben ohne einen visuellen Reiz. Diese Informationen können zum Beispiel Variablen, Diagramme oder die Handhabung von Werkzeugen beinhalten. (2) Des Weiteren zeigen wir Geräte, welche die Immersion in virtuelle Umgebungen erhöhen indem sie physikalische Kräfte wie Wind, physischen Kontakt, Wände oder schwere Objekte, simulieren.

Wir analysieren in dieser Arbeit außerdem das Potential von EMS für miniaturisierte interaktive Systeme und diskutieren, wie solche EMS Systeme die propriozeptive Wahrnehmung wirksam als Ein-/Ausgabemodalität nutzen können. Dazu stellen wir die Vor- und Nachteile von EMS und mechanisch-haptischen Geräten, wie zum Beispiel Exoskeletten, gegenüber.

Zum Abschluss skizzieren wir zukünftige Richtungen in der Erforschung von interaktiven EMS Systemen, indem wir bislang offen gebliebene technische, ethische und philosophische Fragen aufzeigen.