Tastsinn via Internet

Was JPEG für Bilder, MP3 für Audiodateien und MPEG für Videos ist, das sind haptische Codecs für die Übertragung des Tastsinns über das Internet. Unter Konsortial­führung der Technischen Universität München (TUM) wurde nach acht Jahren Normungs­arbeit unter dem Namen „Haptic Codecs for the Tactile Internet“ (HCTI) erstmals ein Standard für die Kompression und Über­tragung des Tastsinns veröffentlicht. Er legt die Basis für Telechirurgie, für Telefahren und neue Online-Gaming-Erfahrungen.

Wenn Audio- oder Videodateien über das Internet geschickt werden, ist der Ablauf aus heutiger Sicht recht einfach: Alle zwanzig Milli­sekunden wird ein Datenpaket geschnürt, aus dem die für das menschliche Sehen und Hören irrelevante Informationen bereits rausgefiltert wurden. Das reduziert die Datenmenge. Informationen werden dabei lediglich in eine Richtung geschickt, zum Empfangenden. Bei der Übertragung von haptischen Informationen spielen Sendende und Empfangende gleicher­maßen eine Rolle. Soll etwa ein Roboterarm aus der Ferne bewegt werden, gibt die Nutzerin oder der Nutzer das durch ihre oder seine Bewegung vor. Greift die Hand am Roboterarm etwa einen Tennisball, spürt die Nutzerin oder der Nutzer das aus der Ferne. Informationen müssen in beide Richtungen fließen. Ein globaler Regelkreis entsteht, in dem sich die Kommandos zum Roboter in der entfernten Umgebung und das haptische Feedback, das zurück zum Nutzenden übertragen wird, gegenseitig beeinflussen. Die Übertragung der haptischen Information muss nun idealerweise in einer Milli­sekunde von statten gehen, eine Geschwin­digkeit, mit der in der physischen Interaktion mit Robotern üblicherweise gearbeitet wird.

Um die zu versendende Datenmenge zu reduzieren, gibt es Codecs, die Daten für die Übertragung codieren und decodieren. So wird eine effiziente Übertragung der Daten möglich. „Im erstmals veröffentlichten IEEE-Standard 1918.1.1 wird ein Codec als Standard für den taktilen Daten­transfer definiert“, erläutert Eckehard Steinbach vom Lehrstuhl für Medientechnik. Er erfasst also zum einen die Empfindungen für Bewegungen, also für Positionen der Gliedmaßen und Kräfte, die dort wirken, als auch für die Sensibilität der Haut, um etwa Oberflächen etwa von Papier oder Metall spüren zu können. Ergänzt werden diese beiden haptischen Codecs durch ein standardi­siertes Protokoll für den Austausch der Geräte­eigenschaften, das Handshaking, beim Verbindungsaufbau.

nders als in den Bild-, Audio- und Videokompressions­standards war es für die Übertragung taktiler Information bisher üblich, bis zu 4.000 Mal pro Sekunde Datenpakete in beide Richtungen loszuschicken. „Das stellt sehr hohe Anforderungen an das Kommunikations­netz, das die Datenpakete transportiert“, erläutert Steinbach. Vorteil der hohen Taktung: Die Teleoperation ist wirklichkeitsnah und die Übertragung ist sehr robust, selbst wenn einzelne Datenpakete verloren gehen. Dennoch wollen die Forschenden die Taktung auf etwa einhundert Mal pro Sekunde reduzieren. „Das ist nahe an der Wahrnehmungs­schwelle des Menschen“, sagt Steinbach.

2014 startete eine Arbeitsgruppe innerhalb der IEEE Standardi­zation Association mit Forschenden unter anderem aus dem Imperial College in London, der New York University of Abu Dhabi, der Chinesischen Dalian University sowie dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unter der Konsortial­führung der TUM mit dem Ziel, einen Standard für die haptische Kommunikation zu entwickeln. „Der neue Codec ist so etwas wie JPEG oder MPEG, nur für die Haptik“, erläutert Steinbach, der die Standardi­sierungsgruppe die letzten acht Jahren geleitet hat. Für den neuen Kompressionsstandard, kurz HCTI genannt, haben die Forschenden sowohl den Regelkreis zwischen Sendenden und Empfangenden als auch die Kompression der Daten optimiert. Das Besondere: Selbst wenn Datenpakete über weite Strecken versendet werden, darf das am anderen Ende der Leitung nicht zu merken sein. „Die integrierte Regelung wirkt stabilisierend. Die Kräfte, die etwa von einem weit entfernt stehenden Roboter eingesetzt werden, werden leicht gedämpft. Harte Oberflächen fühlen sich weicher an“, sagt Steinbach über die nun standardi­sierte Lösung, an deren Konzeption auch Sandra Hirche und Martin Buss von der TUM beteiligt waren.

Interessant wird der Standard für diverse künftige Anwendungen: In der Telechirurgie könnte der neue Standard Oszillationen über beliebige Distanzen hinweg vermeiden. Somit lässt sich ein aus der Ferne bedienter OP-Roboter genauso gut einsetzen wie direkt vor Ort. Expertinnen und Experten etwa von renommierten Herzzentren in München oder New York können zu bestimmten Operationen hinzugerufen werden und selbst operieren. Beim Teledriving sitzen Fahrerinnen und Fahrer nicht am Steuer des Fahrzeugs, sondern in „Fahrzentren“, von denen aus sie Fahrzeuge in der Ferne steuern.

Über HCTI wird es möglich, ein Computer­spiel oder einen Kinofilm näher an die Realität zu bringen und spürbar zu machen. Über ein Exoskelett lassen sich etwa Vibrationen im Auto übertragen oder Fliehkräfte in Kurven. Und wer seine Kleidung online einkauft, braucht sich die Produkte nicht zusenden zu lassen, um zu erfahren, wie sie sich anfühlen. „Auch bei JPEG, MP3 oder MPEG entstanden viele Anwendungen, nachdem der Standard öffentlich war“, sagt Eckehard Steinbach, „das erwarte ich auch von unseren neuen haptischen Codecs.“

TUM / JOL