Sensoren für unsere fünf Sinne

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Bereits 2015 untersuchte ich, wie unsere fünf primären Sinne – Sehen, Riechen, Schmecken, Tasten und Hören – mithilfe von Sensoren nachgebildet wurden. Unsere Sinne helfen uns, uns im Leben zurechtzufinden: Sie vermitteln uns einen Eindruck von unserer Umgebung und helfen uns, die Welt, in der wir leben, zu verstehen. Doch die Welt unserer Sinne setzt uns auch Grenzen. Ist ein Sinn beeinträchtigt, lassen sich seine Funktionen möglicherweise annähernd nachbilden oder verstärken (wie bei Hörgeräten), oder ein anderer Sinn kann dies kompensieren (wie bei Brailleschrift und Gebärdensprache).

Heute werden Geräte (und IoT-Technologien) entwickelt, die die Fähigkeiten von Augen, Ohren, Nase, Zunge und Händen ergänzen oder vollständig ersetzen. Sinnesrezeptoren können durch Geräte mit Mikrochips ersetzt werden, die dieselben Funktionen wie diese Rezeptoren erfüllen und an unserem Körper angebracht oder in ihn integriert werden.

Die Technologie im Jahr 2015 war im wahrsten Sinne des Wortes augenöffnend (haha), aber ich wollte untersuchen, wie sehr sie sich in den vergangenen Jahren weiterentwickelt hat.

Sehen: Erinnern Sie sich an Google Glass? Bevor das Projekt eingestellt wurde, arbeiteten Ingenieure an Brillen, die sich mit Autos verbinden ließen und Telemetriedaten auf dem Brillenglas anzeigten. Heute gibt es ein Gerät, das solche Informationen auf die Windschutzscheibe projiziert oder mithilfe einer in das Glas integrierten Technologie anzeigt. Außerdem verfügen wir über Technologien, mit denen man durch Wände „sehen“ kann.

Weltweit gibt es 285 Millionen Menschen mit Sehbehinderung, von denen 39 Millionen vollständig blind sind. Sensorbasierte Hilfsmittel für blinde Menschen waren früher in ihren Funktionen eingeschränkt und machten die Nutzer in der Regel lediglich auf Hindernisse aufmerksam. Inzwischen haben Forscher ein tragbares Hilfsmittel entwickelt, mit dem Menschen ihre Umgebung wahrnehmen und sich sicherer fortbewegen können. Diese Geräte—die derzeit als mit Sonar ausgestattetes Armband oder als Radargerät erhältlich sind—nutzen Frequenzwellen und geben Rückmeldungen entweder durch Vibrationen oder akustische Signale.

Doch es gibt noch mehr: Bionische Augen werden entwickelt, und blinde Patienten testen bionische Implantate, die auf einer Gehirn-Computer-Schnittstelle basieren. Diese Geräte könnten Patienten mit bestimmten genetisch bedingten Augenerkrankungen einen Teil ihres Sehvermögens zurückgeben. Eine Kamera und eine Reihe von Elektroden, die rund um das Auge und die Netzhautzellen implantiert werden, können visuelle Informationen über den Sehnerv an das Gehirn übertragen und so Lichtmuster im Sichtfeld des Patienten erzeugen. Die Ergebnisse sind zwar nicht perfekt, geben Menschen mit eingeschränktem oder nachlassendem Sehvermögen aber Hoffnung.

Geruch: Von Smell-O-Vision und Smell-O-Rama in den 1940er- und 1950er-Jahren bis hin zu kleinen Geräten, die mit einem Mobilgerät verbunden werden und einen Duft verströmen: Geräte zur Erzeugung von Gerüchen gibt es schon seit geraumer Zeit – ebenso wie Geräte, die Substanzen in der Luft „riechen“ sollen, etwa Rauch-, Radon- und Kohlenmonoxidmelder. Forschende haben bereits tragbare Sensoren entwickelt, die Diabetes riechen können, indem sie Aceton in der Atemluft erkennen, und herausgefunden, wie sich ein Sensor zur Erkennung des Geruchs von Melanomen einsetzen lässt. Außerdem erwägt Apple, das iPhone und die Apple Watch mit Sensoren auszustatten, die anhand des Körpergeruchs einen niedrigen Blutzuckerspiegel erkennen. Heutige elektronische Nasen können Gerüche effektiver wahrnehmen als menschliche Nasen. Dazu nutzen sie eine Reihe von Gassensoren mit selektiv überlappenden Empfindlichkeiten sowie eine Komponente zur Mustererkennung. Der Geruch oder Geschmack wird als globaler Fingerabdruck erfasst und erzeugt ein Signalmuster (einen digitalen Wert), das zur Charakterisierung von Gerüchen dient. Wie würde wohl „Gestank“ in der n-ten Potenz riechen?

Hören: Laut dem britischen Unternehmen Wifore Consulting wird allein der Markt für Hörtechnologie bis 2020 ein Volumen von 40 Milliarden US-Dollar erreichen. 2018 waren es 5 Milliarden US-Dollar. Es gibt Warngeräte, Cochlea-Implantate und eine tragbare Weste, die gehörlosen Menschen mithilfe einer Reihe von Vibrationen das Hören ermöglicht. Mehrere Sensoren erfassen Geräusche und erzeugen Vibrationen, sodass die Person, die die Weste trägt, Geräusche fühlen kann, anstatt sie zu hören. Die Vibrationen entsprechen genau der Frequenz des jeweiligen Geräuschs. (Haben Sie bei einem Konzert schon einmal neben einem dröhnenden Lautsprecher gestanden und den Schall gespürt? Man muss ihn nicht hören, um den wummernden Bass wahrzunehmen.)

Wie aber kann man mit Menschen kommunizieren, die keine Gebärdensprache beherrschen? Der Prototyp der SignAloud-Handschuhe übersetzt die Gebärden der Amerikanischen Gebärdensprache in gesprochenes Englisch. Das Gerät wurde wegen fehlerhafter Übersetzungen und der mangelnden Erfassung sprachlicher Feinheiten kritisiert. Dazu gehören zusätzliche Signale wie Augenbrauenbewegungen, Veränderungen der Körperhaltung und Mundbewegungen, die dazu beitragen, Bedeutung und Absicht zu vermitteln. Bei einem anderen Handschuh können Nutzer Gesten, die Wörtern oder Sätzen entsprechen, aufzeichnen und benennen, sodass keine ergänzende Mimik erforderlich ist. Eine weitere Version kann Übersetzungen direkt an das Smartphone des Trägers senden, das die Wörter oder Sätze anschließend ausspricht.

Tastsinn: Bereits 2013 entwickelten Forscher einen flexiblen Sensor zur gleichzeitigen Erfassung von Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit – ein großer Schritt hin zur Nachahmung der sensorischen Fähigkeiten der menschlichen Haut. Unterdessen entwickelte das University of Pittsburg Medical Center einen Roboterarm, mit dem der Nutzer Berührungen an den Roboterfingern spüren kann.

Und jetzt gibt es sogar einen künstlichen Nerv! Ähnlich wie die in unserer Haut eingebetteten sensorischen Neuronen erkennt ein biegsames, wie ein Pflaster aussehendes Gerät Berührungen, verarbeitet die Informationen und leitet sie an andere Nerven weiter. Statt Nullen und Einsen verwendet dieser Nerv dieselbe Sprache wie ein biologischer Nerv und kann direkt mit dem Körper kommunizieren – sei es mit dem Bein einer Kakerlake oder mit verbliebenen Nervenenden eines amputierten Körperteils.

Heutige Prothesen können die Gehirnaktivität ihrer Nutzer erfassen und sich entsprechend bewegen. Doch stellen Sie sich das Ganze einmal umgekehrt vor: Schaltkreise, die Spannung in elektrische Impulse umwandeln. Die Ausgaben dieses künstlichen Nervs sind elektrische Muster, die der Körper verstehen kann – der „neuronale Code“. Vergessen Sie Computer, es ist Zeit, neuronal zu werden!

Geschmack: Das Internet der Lebensmittel wächst. Ich habe bereits über intelligente Essstäbchen geschrieben, die Öle mit bedenklich hohen Verunreinigungswerten erkennen können, über eine Gabel, die zählt, wie viele Bissen man zu sich nimmt, und über einen intelligenten Becher, der die Trinkmenge und die aufgenommenen Kalorien erfasst.

Das Gebiet der chemosensorischen Forschung konzentriert sich darauf, die wichtigsten von Geschmackszellen exprimierten Rezeptoren zu identifizieren und zu verstehen, wie diese Rezeptoren Signale an das Gehirn senden. So arbeiten Forschende beispielsweise daran, besser zu verstehen, wie süße und bittere Substanzen an ihre jeweiligen Rezeptoren binden. Was wir als Geschmack wahrnehmen, ergibt sich häufig aus der molekularen Zusammensetzung eines Lebensmittelbestandteils in Verbindung mit dem Geruch. IBMs Hypertaste verwendet „elektrochemische Sensoren, die aus Elektrodenpaaren bestehen, von denen jedes auf das Vorhandensein einer Kombination von Molekülen mit einem Spannungssignal reagiert … Die kombinierten Spannungssignale aller Elektrodenpaare bilden den Fingerabdruck der Flüssigkeit“, so der IBM Research Blog. Das System muss außerdem genau wie der menschliche Gaumen trainiert werden! Ein weiteres auf den Geschmack ausgerichtetes System verwendet Sensoren und Elektroden, die die Grundfarbe und den Säuregrad von Limonade digital auf ein Glas Wasser übertragen können, sodass es wie der sommerliche Klassiker aussieht und schmeckt.

Wie dem auch sei: All diese Technologien benötigen eine Anwendung, Dienste und etwas Programmcode, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Einmal abgesehen von Science-Fiction – wer hätte gedacht, dass die Sichtweisen eines Einzelnen so schnell in Software einfließen würden?

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