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Einleitung

Die zur Zeit am meisten verbreiteten Benutzerschnittstellen beruhen auf einer Kombination von Tastatur und Maus als Eingabemedien und einem Monitor und Lautsprecher als Ausgabemedien. Lediglich in Spezialfällen und bei Ein- und Ausgabemedien für Behinderte werden aus heutiger Sicht unkonventionelle Ein- und Ausgabemedien verwendet.

Durch die Einbeziehung zusätzlicher Wahrnehmungskanäle bietet sich die Möglichkeit, bestimmte Informationen menschengerechter, effektiver und intuitiver wahrzunehmen. In virtuellen Umgebungen kann auf diese Weise z.B. die Glaubwürdigkeit beträchtlich gesteigert werden.

Als Eingabemedium stehen Tastatur und Maus an erster Stelle. Fortschritte in der Spracherkennung lassen in Zukunft auch die akustische Eingabe realistischer erscheinen. Als Alternative zur Maus stehen Digitizertablets, Trackballs und Touchpads zur Verfügung. Vor allem im Bereich der Computerspiele finden Joysticks Anwendung. Bei diesen setzen sich seit einiger Zeit mehr als zwei Freiheitsgrade durch.

Bei der Ausgabe nimmt die visuelle Darstellung auf den Computermonitor seit Jahrzehnten eine führende Rolle ein. Die Rolle von Geräuschen nimmt bis heute eine vernachlässigte Position ein.

Bei genauerer Betrachtung stellt sich allerdings heraus, daß Eingabemedien wie Maus und Tastatur neben eingebauten akustischen Verhalten, auch ein taktiles Feedback liefern, das die Arbeit wesentlich vereinfacht. Durch dieses Feedback der Tasten bekommt der Benutzer eine Quittierung für seine Eingabe.

Welche Rolle die Verfeinerung der Ein- und Ausgabegeräte bei der Simulation einer virtuellen Welt spielt, ist heutzutage bei Computerspielen zu sehen, bei denen eine für die Sinne möglichst glaubwürdige Welt vorgetäuscht werden soll. Dabei wird viel Wert auf die grafische und akustische Darstellung gelegt, aber auch bei der Steuerung werden neue Wege gegangen. So sind vermehrt Force-Feedback Joysticks und Lenkräder im Angebot. Da die verspielte Zielgruppe finanzkräftig ist und dieser Markt eine Bedeutende Rolle angenommen hat, ist eine hohe Verbreitung dieser Technik nicht unwahrscheinlich.
 
 

Einsatz von Haptik

Haptik ist in vielen Anwendungsbereichen von Interesse. Dies ist vor allem in der ''Teleoperation'' und in der ''Virtual Reality'' der Fall. Unter Teleoperation werden Aktionen verstanden, die nicht direkt durch menschliche Hände ausgeführt werden. Dabei kann sich die ausführende Person entfernt vom Aktionsort befinden, oder sie hat keinen direkten Zugang dazu. Dies ist der Fall bei chirurgischen Operationen, wobei der Chirurg nur durch einen kleinen Schnitt eine Operation durchführen will. Astronauten können Aktionen außerhalb des Raumschiffes durchführen, ohne selbst aussteigen zu müssen. In der ''Virtual Reality'' können Eigenschaften der dargestellten Materialien simuliert und dann an den Benutzer übertragen werden, so daß er das Gefühl hat, mit realen Stoffen Kontakt zu besitzen. Es ist Hierbei von Bedeutung, daß bei den örtlichen Manipulationen eine Rückkopplung (Feedback) stattfindet, so daß man gleichzeitig über die örtlichen Eigenschaften (Temperatur, Oberflächenstruktur, Härte, räumliche Anordnung) und Druckstärke und Position des  Werkzeuges informiert ist. Für unterschiedliche Einsätze müssen passende haptische Elemente eingesetzt werden, die sowohl die Durchführung einer Aktion als auch ein Feedback erlauben. Dazu ist das Wissen über die genauere Art des Einsatzes der Hände und die haptische Wahrnehmung sehr nützlich.

Einsatzphasen der Hände

Die Interaktionen zwischen der Hand und einem Gegenstand führen zu Verformungen, Temperaturveränderung und Schwingungen der Hautoberfläche, wodurch unterschiedliche Informationen gewonnen werden. Die Stärke und zeitlicher Verlauf der genannten Hautveränderungen ist von den Materialeigenschaften abhängig. Den Einsatz der Hände bei der Durchführung einer Aktion kann man in unterschiedliche Phasen einteilen. Dadurch kann ein genauerer Überblick für die Simulation des Handeinsatzes gewonnen werden.

Kontaktphase: Dies beschreibt die Phase, in der die erste Berührung der Finger mit einem Gegenstand stattfindet. Dafür sind die Rezeptoren in den Fingern zuständig. 200 msec nach dem Kontakt wird der Kontakt wahrgenommen.

Ergreifen: Dies bietet die größte Flexibilität und Komplexität an, da man unterschiedliche Gegenstände je nach Form, Größe, Festigkeit und Zweck auf verschiedene Art und Weise greifen kann. Dazu können nur bestimmte Finger oder die ganze Hand eingesetzt werden. Die Position der Hände kann dann auch durch die Haltung der Arme verändert werden.

Abtasten: Zur Charakterisierung der Eigenschaften von Gegenständen werden unterschiedliche Hand-Objekt-Interaktionen erforderlich. Durch die Fingerspitzen werden Informationen über Eigenschaften wie Temperatur, Oberflächenstruktur und Festigkeit gewonnen, während mit Griffmöglichkeiten der ganzen Hand Informationen über die Form, Größe und Anordnung eines Gegenstandes gewonnen werden.

Haptische Wahrnehmung

Haptische Wahrnehmung bezieht sich auf den Kontakt des Menschen mit seiner Umwelt durch ''Berührung'' mit den Händen. Hierbei sind zwei Mechanismen zu unterscheiden.

- Taktile Reize
- Kinästhetische Reize

Die taktilen Reize werden durch Rezeptoren in der Haut empfangen und weitergeleitet. Hierdurch werden Temperatur, Druck, Vibration und Schmerz vermittelt.
Durch kinästhetische Reize wird der Zustand der Arme und Gelenke angesprochen. Hierzu gehören die Muskelanspannung und der Winkel der Gelenke.

Hierbei müssen die psychophysischen Aspekte der Hände näher betrachtet und erforscht werden. Das bedeutet, daß die Reizarten, Reizintensitäten und Reizschwellen für unterschiedliche Materialien ermittelt werden müssen, um durch passende Verfahren diese Reize zu simulieren. Diese werden durch Versuche mit Personen ermittelt werden müssen.
 

Taktile Wahrnehmung

Für diese Art der Wahrnehmung sind genaue Kentnisse über den Aufbau der Haut von Vorteil. Die folgende Abbildung zeigt den grundsätzliche Aufbau der Haut.

1, 2, 3:    Tastkörperchen
4:            Druck- und berührungsempfindliches Haarbalggeflecht
5:            Schmerzempfindliche freie Nervenendigungen
6:            Kälteempfindliche Körperchen (Krause Endkolben)
7:            Wärmeempfindliches Körperchen (Ruffinisches Körperchen)
8:            Druckempfindliches Lamellenkörperchen (Vatersches Körperchen)

Durch den Tastsinn empfinden wir Berührungen und gewinnen zusammen mit dem Muskelsinn Vorstellungen von der Beschaffenheit betasteter Gegenstände. Die Druckempfindungen vermittelnden Hautstellen werden als Druckpunkte bezeichnet. Sie stehen an behaarten Stellen in Verbindung mit Haaren, welche durch Hebelwirkung übertragen. Der Mensch besitzt etwa 600000 solcher Druckpunkte, jedoch in verschiedener Verteilung. Am dichtesten stehen sie an den Fingerballen, wo auf 1mm2 der Oberfläche 23 Druckpunkte verteilt sind. In der Handoberfläche befinden sich insgesamt etwa 15000 solcher Druckpunkte.

Für die Feinheit des Tastsinns ist maßgebend, in welchem Mindestabstand voneinander zwei gleichzeitig aufgesetzte Zirkelspitzen als getrennte Berührungspunkte empfunden werden.

Diese für die räumliche Trennung der Empfindungen wichtigen Werte werden als Raumschwelle bezeichnet. Dieser Wert ist für die unterschiedlichen Empfindungen unterschiedlich.

Setzt man einen schwachen Vibrator auf die Haut, spürt man die Vibration nur in einem kleinen Bereich. Man kann sich aber durch Betasten davon überzeugen, daß die Haut auch außerhalb des Empfindungsbereiches vibriert. Setzt man neben den schwachen Vibrator noch einen starken auf die Haut, so spürt man nur dort eine Vibration, wo die stärkere Reizung erfolgt. Dies wird als gegenseitige Hemmung bezeichnet.

Die Wärmepunkte sprechen auf höhere Temperaturen an und unterrichten hauptsächlich über die Temperaturverhältnisse im Körper. Sie sind viel spärlicher vorhanden (etwa 30000) und sind auch viel tiefer gelegen als die 250000 Kältepunkte. Die höchste temperaturempfindlichkeit liegt in der Nähe des Körpertemperatur.

Als Organ der Schmerzempfindung werden freie Nervenendigungen nahe der Hautoberfläche angesehen, welche auf Reize aller Art ansprechen. Unter den Hautsinnesorganen stehen die Schmerzpunkte mit etwa 3-4 Millionen an erster Stelle.
Die folgende Tabelle zeigt die Punktdichte der Hautsinne für die unterschiedlichen Empfindungsarten der Hand.
 
 

Kinästhetische Wahrnehmung

Wie schon erwähnt,  ist diese Art der Wahrnehmung mit der Position und dem Zustand der Muskeln und Gelenke verbunden. Diese Faktoren hängen sehr stark vom Geschlecht, Alter und Geschicklichkeit ab. Hierbei kann zwischen Kraftgriff und Feingriff differenziert werden. Beim Kraftgriff wird die ganze Hand für einen Kontakt eingesetzt. Beim Feingriff werden nur die Finger zum Greifen eingesetzt.
Die folgende Abbildung zeigt eine Reihe möglicher Griffarten, die mit den Händen möglich sind.

Haptische Einsatzelemente

Für die Simulation dieser Reize müssen passende Ausgabegeräte eingesetzt werden. Diese werden als Displays bezeichnet. Solche haptische Displays sollen Informationen so darbieten, daß ein Benutzer eine Umgebung empfinden und manipulieren kann. Diese Ausgabegeräte werden entsprechend taktile Displays und kinästhetische Displays genannt, die auf irgendeiner Weise mit der Hand verbunden sind.
 

Taktile Displays

Solche Displays simulieren der Haut Berührungsempfindungen.Vibrationen übermitteln Information über die Oberflächenstruktur, die Glätte, deren Nachgiebigkeit, und über mögliche Löcher. Vibrationen können im Bereich von wenigen Hertz bis wenige hundert Hertz wahrgenommen werden.
Räumlich kleine Formen oder Druckverteilungen lassen sich nur schwer simulieren. Üblicherweise wird dazu ein Feld aus eng (weniger als ein paar Millimeter) beieinander liegenden Nadeln eingesetzt, die einzeln angesteuert werden können, um den erwünschten Druck auf die Finger auszuüben. Derartige Geräte müssen klein und leicht genug sein, um auf einem entsprechenden Interface angebracht werden zu können.
Temperaturinformation basiert auf einer Kombination von Temperaturleitfähigkeit, Temperaturspeicherung und der Temperatur selbst. Daraus lassen sich sowohl Rückschlüsse auf das Material als auch auf die Temperaturdifferenz ziehen.
Andere taktile Reize lassen sich beispielsweise durch elektrische Stimulation der Haut, durch Ultraschall oder durch rotierende Scheiben (Rutschigkeit) hervorrufen.
Schmerz entsteht bei zu starker Reizung einer der genannten Reize.

Ein Beispiel für ein solches Display ist ein Feld von mehreren kleinen in senkrechter Richtung schwingbaren Stiften, die auf der Fingerspitze angebracht werden. Deren Schwingungen sollen die Haut stimulieren, so daß man Oberflächenstrukturen empfindet. Da beim Streichen über Oberflächen meist eine Geschwindigkeit von mehr als 120 mm/Sekunde gewählt wird, müssen solche taktile Displays eine relativ große Bandbreite an Schwingungen produzieren können, um effektiv das Gefühl von Berührungen und Oberflächentexturen vermitteln zu können.
 

Kinästhetische Displays

Wie schon erwähnt wurde, beziehen sich diese Displays auf die Muskelspannungen und Gelenkwinkel, wodurch hierbei Kräfte und deren Richtung beschrieben werden. Solche Displays müssen also die Simulation durch drei Parameter für die Richtungsangabe und drei Parameter für deren Drehmomente darstellen. Diese Displays üben abhängig von Materialien Kräfte mit entsprechender Geschwindigkeit aus, damit ein Benutzer abschätzen kann, welche Kräfte er in welche Richtung ausüben muß.