Können Computer Gedanken lesen? Oder: wie können wir uns unserem Computer mitteilen Prof. Dr.-Ing. Tanja Schultz Dominic Heger, Dirk Gehrig, Matthias Janke, Felix Putze und Michael Wand KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
Unsere Sinne 2 31.08.2010 http://www.learn-line.nrw.de/angebote/sinus/projektnw/unterrichtsbeispiel
Empfangen und Aussenden von Signalen Aufnahme: 1.000.000.000 bit/s Abgabe: 10.000.000 bit/s Fühlen Die Signale kommen vom Menschen, daher nennen wir sie Biosignale bit/s = Informationseinheiten pro Sekunde 1 Seite lesen in 1 Minute = 20bit/s 3 Prof. Tanja Schultz Können Computer Gedanken lesen?
Biosignale, mit denen wir uns anderen mitteilen (1) Hörbare Signale Hörbare Biosignale Sprache Lachen Räuspern Tonfall Stimmlage http://www.rentenblicker.de/uploads/pics/arbeitslos_01.jpg 4 Prof. Tanja Schultz Können Computer Gedanken lesen?
Biosignale, mit denen wir uns anderen mitteilen (2) Sichtbare Signale Sichtbare Biosignale Bewegung Gestik Mimik 5 Prof. Tanja Schultz Können Computer Gedanken lesen?
unser Körper sendet noch viele andere Biosignale (3) Elektrische Signale Elektrische Biosignale Muskelaktivität Hirnaktivität Herzaktivität Hautleitwert. 6 Prof. Tanja Schultz Können Computer Gedanken lesen?
Wenn wir uns anderen Menschen mitteilen, verwenden wir VIELE Biosignale, aber was passiert, wenn wir mit dem Computer spielen und arbeiten? 7 Prof. Tanja Schultz Können Computer Gedanken lesen?
http://www.sfb588.uni-karlsruhe.de/ und wenn wir mit dem Computer umgehen? Hörbare Biosignale Elektrische Biosignale Sichtbare Biosignale 8 Prof. Tanja Schultz Können Computer Gedanken lesen?
da funktionieren nur wenige Signale! Tippen (15 bit/s) 9 Prof. Tanja Schultz Können Computer Gedanken lesen?
Unser Ziel Der Computer soll mit vielen menschlichen Signalen umgehen können, damit die Benutzung des Computers für uns einfacher wird - Beispiel heute: Elektrische Biosignale Hörbare Biosignale Elektrische Biosignale Sichtbare Biosignale 10 Prof. Tanja Schultz Können Computer Gedanken lesen?
Wo und warum entstehen elektrische Biosignale? Auf der Haut Schwitzen Angst, Schreck, Aufregung In den Muskeln Körperbewegungen Herzschlag Im Gehirn Körperbewegungen Gedanken Gefühle http://www.onmeda.de/lexika/anatomie/vegetatives_nervensystem_anatomie.html 11
Biosignal Elektrische Hautaktivität Auf der Haut Schwitzen Angst, Schreck, Aufregung In den Muskeln Körperbewegungen Herzschlag Im Gehirn Körperbewegungen Gedanken Gefühle 12
Wie und Warum? Aufregung und Angst Das Gefühl ist uns angeboren! Herzklopfen, flauer Magen, leerer Kopf, feuchte Hände Warum? - Zurück in die Steinzeit: Angst rettet Leben! Säbelzahntiger, Kämpfen oder Fliehen? Flucht!!!!! Stress-Hormon Adrenalin Herz schlägt schneller Blut und Sauerstoff für s Wegrennen Schweiß an Händen und Füßen weniger rutschig auf der Flucht Adrenalin regt Gedächtnis und Konzentration an Alles andere wird unterdrückt (z.b. Magen verdaut nicht mehr) http://www.feuer-steinzeit.de/programm/images/saber.jpg 13
(Angst)-Schweiß Schweiß wird von Poren in der Haut ausgeschieden Besonders viele Poren an Stirn, Händen und Füßen Ca. 600/cm² Poren das sind ca. 1000 Poren auf jeder Fingerkuppe!! Was passiert wenn man schwitzt: Die Haut wird feucht Man friert (Schwitzen als Abkühlung bei Anstrengung) Die Haut kann Strom besser leiten http://de.wikipedia.org/wiki/haut http://blog.firstwebsite.de/category/allgemein/ 14
Feuchte Haut kann Strom leiten - Hautleitfähigkeit Haut trocken schlechter Leiter Haut feucht guter Leiter Messung der Hautleitfähigkeit : 1) wir nehmen zwei Elektroden 2) legen ganz niedrigen Strom an (DC 0.5V) 3) halten die Spannung konstant 4) Wert gibt Leitfähigkeit der Haut an Elektroden Versuch: wir reizen einen Menschen (lauter Ton, Schreck) Nach 0,5-4 Sekunden geht Hautleitfähigkeit kurz hoch Je stärker der Reiz, umso kürzer die Reaktionszeit Quelle: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2005/2436/pdf/burkchristian-2005-10-19.pdf 15
Selbstversuch Elektrischer Hautleitwert Ein Versuch von und mit Dirk Gehrig und einer/m freiwilligen Studierenden aus diesem Hörsaal!! 16
Biosignal - Muskelaktivität Auf der Haut Schwitzen Angst, Schreck, Aufregung In den Muskeln Körperbewegungen Herzschlag Im Gehirn Körperbewegungen Gedanken Gefühle 17
Muskeln und deren Aktivität Der Mensch hat über 650 Muskeln, 50 davon allein im Gesicht Mit der Hand an die Nase fassen Arm beugen: Bizeps anspannen http://www.onmeda.de/lexika/anatomie/ vegetatives_nervensystem_anatomie.html http://www.muskelbody.de/images/muskel_front.gif http://www.sportunterricht.de/lksport/muskel5.html 18
Der Befehl zur Bewegung kommt vom Gehirn! Schandry (1998) Neuronen im Gehirn -Senden Signale über Nerven - Nerven enden am Muskel - Muskel spannt sich an 19
Muskelaktivität Messen Ähnlich wie beim Hautleitwert nehmen wir Elektroden Wir messen die Signale, die die Nerven an Muskeln senden Das nennt man Elektro-myo-graphie Elektro = elektrische Aktivität Myo = Muskel Graphie = Aufzeichnen s1 s2 EMG-Signal s1 s2 Muskelsignal Luca, C.D.: Surface electromyography: Detection and recording (2002) 20
Sprechen ist Aktivität der Gesichtsmuskeln Was für den Arm geht, geht auch im Gesicht Sprechen durch Bewegen der Gesichtsmuskeln Wir kleben die Elektroden ins Gesicht, um die Muskelaktivität aufzunehmen Die Elektroden nehmen die Bewegung beim Sprechen auf Wir müssen gar nicht mehr laut sprechen!! EMG-Signal Eins Eins Eins s2 s1 + ref s1 s2 Schünke et al. (2006) 21
Erkennen von Lautloser Sprache Viele Beispiele Vergleichen Zwei Eins Drei Drei 22
Selbstversuch Elektrische Muskelaktivität Ein Versuch von und mit Matthias Janke, Michael Wand und einer/m freiwilligen Studierenden aus diesem Hörsaal! 23
Biosignal - Muskelaktivität Auf der Haut Schwitzen Angst, Schreck, Aufregung In den Muskeln Körperbewegungen Herzschlag Im Gehirn Körperbewegungen Gedanken Gefühle 24
Messung von Gehirnaktivität Planen und Ziele haben Entscheidungen treffen Sich bewegen Räumliches Denken Lesen und Rechnen Fühlen (z.b. bei Berührung) Sehen Hören Sprechen Sich Dinge merken vorne http://www.geo.de/geo/mensch/medizin/634.html 25
Was wird gemessen? Unser Verhalten entsteht durch Gehirnaktivität = Aktivität der Neuronen Wir haben ungefähr 100 Milliarden Neuronen 100.000.000.000 Der Ort der Aktivität lässt darauf schließen was wir tun: - Sehen - Bewegen - Hören - Planen http://www.zenpoint.de/images/thebrain.jpg 26
Wie wird gemessen? - Elektroden Epoc Kappe Gehirnauslastung http://web558.webbox239. server-home.org/ cpcii/wordpress/?p=234 Erkennung von Gehirnaktivität und Gehirnauslastung 27
Was könnte man damit tun? Langweilen sich die Zuhörer und Zuhörerinnen? Zu schnell Zu viel Zu wenig Zu langsam 28
Selbstversuch Elektrische Gehirnaktivität Ein Versuch von und mit Dominic Heger und Felix Putze und einer/m freiwilligen Studierenden aus diesem Hörsaal! 29
Lerncheck: Was haben wir heute gelernt? Welches sind unsere fünf Sinne? Mit welchen Biosignalen teilen wir uns Menschen mit? Welche benutzen wir bisher für den Computer? Warum schwitzen wir? Wie viele Schweißporen haben wir auf jeder Fingerkuppe? Welche Haut leitet besser: trockene oder feuchte Haut? Wie viele Muskeln hat der Mensch?, Wie viele im Gesicht? Warum können wir lautlos gesprochene Sprache erkennen? Von woher kommt der Befehl zur Bewegung der Muskeln? Welche kleinen Einheiten sind im Gehirn aktiv? Welche elektrischen Signale können wir nun für die Arbeit und das Spielen am Computer benutzen? Hat euch der Vorlesungsstoff gefallen? 30