Das Konzept der Haptik ist vielleicht nicht jedem gleichermaßen vertraut, doch dessen Einfluss fühlt der Mensch bereits sein ganzes Leben. Die Haptik beschreibt jede nonverbale Kommunikation, bei der das Tasten eine Rolle spielt. Es wurde bereits vor langer Zeit nachgewiesen, dass das Tasten der wichtigste Sinn für das Überleben des Menschen ist. Von allen Sinnen ist der Tatsinn der erste, der sich im Mutterleib entwickelt und der einen Kommunikationsmechanismus begünstigt, der Sprachbarrieren überwindet. Kein Wunder also, dass die Gesellschaft im Laufe der Zeit viele merkwürdige Gewohnheiten entwickelt hat, die auf haptischer Wahrnehmung basieren, beispielsweise festes Händeschütteln, verständnisvolle Umarmungen oder zwei Wangenküsse zur Begrüßung.

Haptische Wahrnehmung ist häufig besser geeignet um Informationen zu vermitteln.

Haptische Wahrnehmung ist häufig besser geeignet um Informationen zu vermitteln.National Instruments

Haptische Kommunikation ist häufig ein besseres Mittel zur Vermittlung von Informationen als rein akustische oder visuelle Signale. Rüttelstreifen am Fahrbahnrand signalisieren Fahrern etwa, dass diese von der vorgesehenen Fahrbahn abweichen. Die im Fahrzeug entstehenden Vibrationen sind über audiovisuelle Informationen hinweg spürbar, denen Fahrer fortlaufend begegnen. Das Prinzip gleicht der Situation auf Konzerten, in der jemand versucht, durch Klopfen auf die Schulter die Aufmerksamkeit eines anderen zu erregen.

National Instruments unterstützt hier viele Anwendungsbereiche der Industrie und ermöglicht es, einen einzigartigen Blinkwinkel zur Identifizierung von Trends in der Technik zu schaffen. Einer dieser Trends ist die Entstehung der haptischen Rückkopplung in modernen Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human-Machine-Interfaces, HMIs).

Auf einen Blick

Verbesserte Unterhaltungselektronik, Sicherheitssysteme in Fahrzeugen und robotergestützte Chirurgie sind nur ein paar Beispiele, die den immer größeren Fokus, der auf Haptik bei HMIs gelegt wird, verdeutlichen. Da so gut wie alle Industriezweige an der Haptik interessiert sind und darin investieren, ist die Zukunft der haptischen Steuerung und Kommunikation zum Greifen nah.

Seit Jahren wird in Videospielen haptisches Feedback genutzt, damit Gamer besser in virtuelle Spielwelten eintauchen können. Eine Umsetzungsmöglichkeit ist der Einsatz von Vibrationen im Controller, sodass sich jeder Schlag und jede Explosion spüren lassen. Außerdem erleben Gamer Haptik als Kraftrückkopplung wie bei Lenkrädern, die den Bewegungen des Gamers dynamisch standhalten und so ein realitätsnahes Fahrerlebnis imitieren. Im digitalen Zeitalter ist jedoch nicht nur Gaming, sondern Unterhaltungselektronik allgemein so rationell und effizient geworden, dass Konstruktionsingenieure neue Methoden zum Einsetzen des Tastsinns ermitteln müssen. Moderne Smartphones und Tablets sind gute Beispiele für diese Entwicklung.

Haptik bei Smartphones und Tablets

Der zunehmende Einsatz touchbasierter Oberflächen hat zu einem Rückgang von klassischen Tasten bei mobilen Geräten geführt. Es wird zwar ein vielseitiger vergrößerter Bildschirm zur Mediennutzung geboten, die taktile Oberfläche klassischer Telefone und Laptops wird so jedoch verdrängt. Das Blindschreiben nach dem Zehn-Finger-System ist auf modernen Oberflächen nicht möglich, da der Anwender gleichzeitig zwischen virtuellen Tastaturen und Eingabefeldern hin- und herwechseln muss.

Tactus Technology, ein Startup-Unternehmen aus dem Silicon Valley und Kunde von National Instruments, hat ein Modell dazu entwickelt: den ersten Touchscreen, der sich in eine haptische Tastatur abwandeln lässt. Die Steuerung innovativer Mikrofluidtechnologie ermöglicht es, dass haptische Tasten nach Bedarf auf der Oberfläche des Touchscreen erscheinen und darin auch wieder verschwinden. Position, Höhe und sogar Form dieser Tasten lassen sich steuern. Optisch sollten die damit ausgestatteten mobilen Geräte einiges hermachen und sich auch noch gut anfühlen. Der entscheidende Vorteil liegt jedoch darin, dass Anwender durch das Ablegen ihrer Finger direkt auf den Tasten diese fühlen und drücken können, was zu weniger Eingabefehlern und einer insgesamt besseren Bedienfreundlichkeit führt.

Das Modell von Tactus Technology wurde durch den Einsatz von NI LabVIEW und Messhardware von National Instruments beschleunigt. Tactus verwendete dieselben Werkzeuge für das grafische Systemdesign während des gesamten Designzyklus – vom Prototyp bis zur Produktionsprüfung. So bemerkenswert diese Technologie auch ist, haptische Innovationen sind keineswegs auf Unterhaltungselektronik beschränkt.

Innovationen im Automobilbereich

Studenten der Virginia Tech entwickelten mithilfe des Embedded-Steuer- und -Regelsystems NI Compact RIO und einem umgebauten Strandbuggy ein halbautonomes Fahrzeug, das es blinden Fahrern ermöglicht, erfolgreich zu navigieren, die Geschwindigkeit zu steuern und Kollisionen zu vermeiden, während sie einen Fahrparcours auf einem abgesperrten Gelände absolvieren.

Das halbautonome Fahrzeug ermöglicht es blinden Fahrern erfolgreich zu navigieren, die Geschwindigkeit zu steuern und Kollisionen zu vermeiden.

Das halbautonome Fahrzeug ermöglicht es blinden Fahrern erfolgreich zu navigieren, die Geschwindigkeit zu steuern und Kollisionen zu vermeiden.National Instruments

Viele Sensoren, darunter Laser-Entfernungsmesser, wurden eingesetzt, um die Fahrumgebung auf Hindernisse zu scannen und gleichzeitig die Geschwindigkeit und Orientierung des Fahrzeugs zu beobachten. Die Sensordaten speiste man in den FPGA (Field-Programmable Gate Array) des Compact-RIOs ein, um eine leistungsstarke Inline-Verarbeitung zu ermöglichen. Entscheidungen, die man auf Basis der verarbeiteten Daten traf, werden zu Anweisungen für den blinden Fahrer. Hinweise darüber, wann man etwa bremsen oder lenken muss, gelangen über eine am Gurt befestigte, vibrotaktile Weste an den Fahrer.

Zusätzlich statteten die Studenten die blinden Fahrer mit einem dynamischen, taktilen Streckenplan aus. Ähnlich wie bei einem Airhockey-Tisch wird diese regenerative Braille-Karte lesbar, indem Druckluft durch eine Reihe von Löchern mit hoher Dichte strömt. Auf diese Weise kann der Fahrer jegliche Hindernisse um ihn herum fühlen, die der Laser-Entfernungsmesser erkennt. Obwohl blinde Fahrer noch viele Jahre nicht im Straßenverkehr zugelassen sein werden, gaben die Studenten der Virginia Tech an, dass Spin-Off-Technologien für den sofortigen Einsatz in unzähligen Anwendungen geeignet sind. Dies verwirklichte man mit den Safety Alert Seats von Cadillac. Der Sitz arbeitet in Verbindung mit existierenden Warnsystemen zur Erkennung von Kollisionen, Fahrspurwechseln und des toten Winkels, nutzt jedoch Vibrationen im Sitz, um dem Fahrer unmittelbares, unausweichliches Feedback zu geben.

Während Haptik beständig zu einer höheren Sicherheit in Fahrzeugen beiträgt, werden die Vorteile haptischer Innovation am stärksten im medizinischen Bereich spürbar sein. Denn nicht einmal die ruhigsten Hände eines Menschen können die Stabilität eines Operationsroboters bieten.

Die robotergestützten Chirurgie

Bei minimal-invasiven, robotergestützten Eingriffen sind Chirurgen weniger stark belastet, das Patiententrauma wird so gering wie möglich gehalten und die Erholungsphasen sind kürzer, als bei klassischen, offenen Operationen. Ein Defizit existierender Technologien stellt jedoch der Verlust des Tastsinns von Chirurgen dar. Traditionelle Abtastverfahren zur Ermittlung von anomalem Gewebe im Körper lassen sich nicht mehr anwenden. Doch eine Gruppe von Studenten der University of Leeds entwickelte eine Variante zur Integration haptischen Feedbacks in der Telechirurgie.

Dieses preisgekrönte Studentenprojekt, das maßgeblich mit Lab-View vorangetrieben wurde, überträgt Kraftmessungen von Sensoren, die auf einer Robotersonde angebracht sind. Auf die Rohdaten wird eine maßgeschneiderte Verarbeitung angewendet, bei der Simulationssignale vorkommen, die daraufhin an ein professionelles medizinisches Gerät gelangen. Das Gerät hält der Bewegung des operierenden Arztes, wie bei den bereits erwähnten Lenkrädern mit Kraftrückkopplung, stand. So schließt sich der Tastkreis des Chirurgs und seine Fähigkeit, Tumorgewebe im Körper eines Patienten festzustellen, wird wiederhergestellt.

Trendsetter erkennen

Ganz im Sinne des vorherrschenden Trends von Knöpfen weg hin zur grafischen Benutzeroberfläche zeigt sich ein weiteres Produkt von National Instruments: das Virtual Bench. Das Messgerät, mit intuitiver Oberfläche ausgestattet, die sich mit dem Laptop oder dem iPad bedienen lässt, ermöglicht es dem Entwickler, elektronische Schaltungen zu testen, Prototypen zu entwickeln oder schnell und einfach Messungen durchführen, um Fehler zu finden. Das Modell löst das Problem, die Masse an benötigten Instrumenten zu handhaben, denn meistens ist es mit einem Messgerät nicht getan, es muss eine Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt, eventuell ein Testsignal eingespeist und auf der einen Seite der Strom überwacht und auch der Spannungsverlauf visualisiert werden.

Der klassische Ansatz bestand darin, die verschiedenen Messinstrumente zu konfigurieren und dann mit dem zu messenden Objekt zu verbinden. Dabei wurden Daten nur teilweise aufgezeichnet oder in aufwendigen Protokollen manuell eingepflegt. Das NI-Virtual Bench ist ein 5-in-1-Messgerät, das die Problematik am Prüfplatz erheblich verringert. Virtual Bench vereint alle Instrumente in einem schlanken Formfaktor und verändert den Umgang mit der Hardware durch ein durchgängiges Softwarekonzept. Die gewonnen Daten lassen sich mit einem Klick direkt gemeinsam exportieren. So ist eine lückenlose Dokumentation der durchgeführten Versuche gesichert.

Das Virtual Bench verfügt über ein besonderes Design, das ein Mixed-Signal-Oszilloskop, einen Funktionsgenerator, ein Digitalmultimeter, ein programmierbares Netzteil sowie digitale I/O miteinander vereint. So erhalten Anwender fünf hochwertige Messgeräte mit vollem Funktionsumfang in einem einzigen, kompakten Gerät. Darüber hinaus vereinfacht das Virtual Bench die Kommunikation mit dem Rechner oder dem iPad, indem es entweder USB oder WLAN zum Übertragen nutzt. Virtual Bench lässt sich in ein bestehendes WLAN einbinden oder es kann selber ein WLAN aufbauen und macht so zusätzliche Hardware, beispielsweise einen WLAN-Router, überflüssig.

Moderne Technologien nutzen

Da das Virtual Bench moderne Rechnerplattformen einsetzt, können Ingenieure und Wissenschaftler die entwickelten Technologien wie Multitouch-Displays, Multicore-Prozessoren, Wireless-Anbindung und intuitive Benutzeroberflächen nutzen. Diese durch Software erzielte Vereinfachung und verbesserte Funktionalität führt zu einer effizienten Fehlerbehebung und Validierung von Schaltkreisen. Die Vorteile sind:

  • Geringer Platzbedarf am Arbeits- beziehungsweise am Prüfplatz.
  • Einfache Konfiguration des Messgeräts durch einheitliche, anwenderfreundliche Benutzeroberflächen
  • Hohe Leistungsfähigkeit und Benutzerfreundlichkeit dank einer konsolidierten Übersicht mehrerer Messgeräte, Visualisierung auf großen Displays und schneller Funktionalität zur Speicherung von Daten und Screenshots
  • Nahtlose Integration in die Systemdesignsoftware NI-Lab-View.

Die Virtual-Bench

Die allgemeinen Spezifikationen des 5-in-1-Messgeräts Virtual Bench sind:

  • Konnektivität: USB, WLAN
  • Unterstützte Betriebssysteme: Windows XP oder Nachfolger; iOS 7 oder Folgegeräte (nur iPad)
  • Abmessungen: 25,4 x 19 x 7,4 cm
  • Garantie: 1 Jahr Standardgarantie (erweiterte Garantie verfügbar)