Vorgestellt: Computer lernen tasten

Taktile Sinneseindrücke aufzeichnen und wirklichkeitsgetreu wiedergeben – das ist für Computer derzeit noch eine Herausforderung. An Computeranwendungen, die genau das können, arbeitet Matthias Harders, seit Februar 2014 Professor am Institut für Informatik.
ipoint_vorgestellt_harders.jpg
Bild: Matthias Harders ist seit Februar 2014 an der Universität Innsbruck.

 Holz kann sich rau anfühlen, ein Schwamm ist weich und elastisch, Metall ist meist glatt – alle diese Sinneseindrücke können wir durch unseren Tastsinn selbst erfahren und bestätigen. Das alles aber mathematisch für die Wiedergabe am Computer zu erfassen, ist einer der Forschungsbereiche von Prof. Matthias Harders. Der gebürtige Leeraner (Niedersachsen) ist seit Februar 2014 Professor für Computergrafik am Institut für Informatik. „Haptik in der Informatik ist ein noch relativ junges Forschungsfeld. Inzwischen ist es zwar möglich, einen Gegenstand visuell dreidimensional zu scannen – die haptischen Informationen über diesen Gegenstand sind da aber noch nicht erfasst und daran arbeiten wir“, erklärt er.

Medizinische Simulation

Ein Gebiet, in dem die haptischen Eigenschaften von Gegenständen – bzw. im konkreten Fall: von Körperteilen und Organen – wichtig ist, ist die Simulation von medizinischen Eingriffen. Die Verbindung zur Medizin beschäftigt Matthias Harders seit seiner Studienzeit in Hildesheim: „Ich habe ursprünglich medizinische Informatik studiert, ein Fach, das es damals in der Form, wenn ich mich richtig erinnere, nur an zwei Unis in Deutschland gab“, erklärt er. Und so ist dieser Bereich noch heute ein wichtiges Forschungsfeld für den Informatiker und seine Arbeitsgruppe: „Wir sind bereits in der Lage, minimalinvasive Eingriffe sehr realitätsnah zu simulieren. Bei solchen Operationen sind Chirurgen gewöhnt, das Geschehen auf einem Bildschirm zu verfolgen, deshalb ist die Darstellung eines simulierten Eingriffes über einen Bildschirm eine naheliegende Vorgehensweise.“ Die Operationsgeräte für diese Simulationen verfügen über die gleichen Funktionen wie echte Instrumente, und stoßen mittels der Haptik auf für den Chirurgen fühlbaren Widerstand dort, wo er auch in einer echten Operation Widerstand spüren würde – und zwar ohne, dass da tatsächlich ein Patient oder ein entsprechender Dummy liegt. „Sehr wichtig ist, dass alles in Echtzeit passiert: Der Computer darf nicht mehrere Minuten rechnen, wie er geänderte Bedingungen etwa nach einem durchgeführten Schnitt darstellen muss.“ Voraussetzung für eine erfolgreiche Simulation sind daher auch genau erfasste Parameter und physikalisch-basierte Modelle: „Wie verhält sich eine menschliche Leber bei einer OP, wie elastisch ist das Gewebe, was passiert bei einem Schnitt? Diese Fragen müssen wir natürlich davor schon geklärt haben, um die Simulation umsetzen zu können.“ Materialparameter können zum Beispiel während einer echten Operation am lebenden Patienten gewonnen werden. Zusätzliche Algorithmen erlauben dann die Umwandlung der gewonnen Daten in für die Simulation nützliche Werte.

 Haptisches Rendern

Ein weiteres, verwandtes Forschungsgebiet von Matthias Harders’ Arbeitsgruppe ist die genaue Erfassung und Berechnung haptischer Eigenschaften von Gegenständen. „Im sogenannten daten-getriebenen haptischen Rendering werden Gegenstände und insbesondere deren Tasteigenschaften mit Sensoren erfasst. Mit den so gewonnenen Daten lassen sich diese Eigenschaften dann reproduzieren.“ Im Bereich der „Telepräsenz“ ist ein Gegenstand auf einem Bildschirm zu sehen, mittels spezieller haptischer Stifte kann ihn der Betrachter auch fühlen, obwohl er sich real gar nicht im gleichen Raum befindet. „So ist es auch möglich, größere Distanzen zu überwinden und Gegenstände vorzuführen, ohne sie physisch vor Ort haben zu müssen. Eine denkbare Anwendung dafür wäre zum Beispiel der Einsatz dieser Technik bei der Produktentwicklung unterschiedlichster Branchen – falls Änderungen an einem Prototypen nötig sind, muss nicht ein neuer Prototyp aus anderen Materialien gebaut werden, sondern seine Eigenschaften können für einen ersten Eindruck mit viel weniger Aufwand direkt am Computer geändert und nachvollzogen werden.“ Ein weiteres Forschungsgebiet ist der Bereich der „Augmented Reality“, in welchem die Tasteigenschaften realer Objekte verändert werden. So sind die Forscherinnen und Forscher zum Beispiel in der Lage, das Material eines weichen Schwammes beim Ertasten sehr viel härter erscheinen zu lassen, was insbesondere auch wieder in der medizinischen Simulation zum Tragen kommen wird.

 Mit haptischen Geräten kam der Informatiker Harders erstmals in Houston, Texas in Kontakt, wo er nach dem Studium in Hildesheim und später Braunschweig seine Diplomarbeit verfasste. „Damals, Ende der 1990er Jahre, waren diese Art von Geräten noch ganz neu – die ersten kommerziellen Varianten kamen ab 1996 auf“, erinnert er sich. In Houston arbeitete Matthias Harders an Projekten gemeinsam mit Forschern der NASA, bei denen es darum ging, die Haptik in Raumanzügen zu verbessern: „Die Handschuhe in den Anzügen machen feinere Arbeiten sehr schwierig, das sollte in den Projekten verbessert werden.“ Zurück aus Houston wechselte Harders für das Doktorat und auch die spätere Habilitation an die ETH Zürich (bis 2012). Nach einem einjährigen Aufenthalt in Sheffield, England, kam der Informatiker 2014 an die Uni Innsbruck. „Innsbruck ist zum einen geografisch optimal gelegen: Ich habe einige gute Kontakte in München und Zürich, die ich von hier aus weiter ausbauen werde. Außerdem ist das Informatik-Institut in Innsbruck noch jung und sehr dynamisch, viele interessante Kolleginnen und Kollegen arbeiten hier – alles in allem ist das eine sehr attraktive Konstellation, um hier meine Arbeitsgruppe aufzubauen. Ich freue mich außerdem auf die Kooperation mit Kolleginnen und Kollegen von der Medizinischen Universität.“