Ein Smartphone als Multimessgerät und mittels Sensoren einen Roboter steuern

Sinne und Sensoren

Mit einem akustischen Signal signalisiert uns die Einparkhilfe beim Auto ein Hindernis
und dank Kamera liefert sie auch noch die Rückansicht auf das Display im Armaturenbrett.
Alexa, Siri oder Google Home fühlen sich angesprochen, wenn wir sie nach dem Wetter,
unserem Lieblingssong oder einem Taxi fragen.

© 123rft.com

Digitale Helfer drängen sich in fast allen Lebensbereichen auf. Einige lassen sich mit dem Begriff Assistenzsysteme umschreiben – ein Auto verfügt heute etwa über unzählige Sensoren, die unsere menschlichen Sinne beim Führen des Fahrzeugs unterstützen. Andere „Helfer“, zum Beispiel die oben genannte Spracherkennung, bedienen sich künstlicher Intelligenzen. Diese erweitern nicht nur unsere Sinneswahrnehmungen, sondern nehmen uns auch gleich das Denken und Handeln ab. Das kann uns von Routinen entlasten, verbunden mit einem Zuwachs von Freiheit für andere Dinge.

Die KI kann uns aber ebenso bevormunden, Informationen filtern, manipulieren und uns in unserer Freiheit einschränken. Künstliche Intelligenzen versorgen uns nicht nur mit Daten, sie sammeln sie auch über uns – Daten sind die Hauptnahrungsquelle einer KI; sie können Parasiten sein und wir ihr Wirt, oder wir können in einer Symbiose voneinander profitieren. Junge Menschen zu selbstbestimmten Bürgern zu bilden, so lautet der Bildungsauftrag von Schule. Ihn wahrzunehmen, bedeutet Informatische Grundbildung zu vermitteln, damit Handeln und Entscheiden auf der Grundlage von Verstehen und Erkennen möglich wird.

Ein Zugang, Phänomene der Digitalisierung im schulischen Kontext zu behandeln, bietet der Themenkomplex „Sinne und Sensoren“. Das erfolgreichste Handy, das 2004 vorgestellt wird, ist das NOKIA 2600 [1]. Es verkauft sich weltweit 135 Millionen mal. Auch 2005, 2006 und 2007 führt der finnische Hersteller die Ranglisten der meistverkauften Modelle an. Im Wettstreit der Produzenten geht es Anfang der 2000er-Jahre vor allem darum, noch kleiner zu werden. Niemand kann sich zu dieser Zeit vorstellen, dass Menschen bereit sind, auf tastenlosen, fast Schokoladentafel großen Glasdisplays mit den Fingern zu wischen, um ein Telefon zu bedienen bis 2007 Apple mit dem iPhone das erste Smartphone vorstellt und seitdem den Markt dominiert.

Mit dem Übergang vom Mobiltelefon zum Smartphone findet ein Paradigmenwechsel statt. Handelte es sich beim NOKIA 2600 noch um ein mobiles Telefon, mit dem man zusätzlich SMS versenden konnte, war das iPhone seit der ersten Generation ein mobiler Computer mit dem unter anderem auch telefoniert werden kann. Dies allein ist aber nur die halbe Wahrheit. Während in einem stationären PC oder einem Notebook nur wenige Sensoren integriert werden, sind es bei einem modernen Smartphone um die 20. Dank der Kombination von Hochleistungsrechner, Sensoren und Aktoren–, Mobilität, Personalisierung, Digitalisierung, Vernetzung und Automatisierung werden unsere lieb gewonnenen Begleiter – neutral formuliert – sehr mächtig.

Spätestens mit zwölf Jahren, oft sehr viel früher, haben Jugendliche uneingeschränkt Zugriff auf diese mächtigen Geräte – und diese umgekehrt auch auf sie. Grund genug, das Smartphone einmal auf seine technischen Komponenten zu durchleuchten. Aber betrachten wir zuerst unsere menschlichen „Sensoren“.

Über wie viele Sensoren (Sinne) verfügt der Mensch?

Was wir bei Lebewesen als Sinne bezeichnen, lässt sich mit der einfachsten Definition als eben die Fähigkeit umschreiben, Reize wahrzunehmen – das kommt der Aufgabe
von technischen Sensoren doch schon recht nahe. Bereits Aristoteles unterschied beim Menschen die fünf Sinne Hören, Sehen, Riechen, Schmecken und Tasten.

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Aus heutiger naturwissenschaftlicher Perspektive verfügen wir aber noch über weitere Sinne, als da sind:

  • Temperaturwahrnehmung
  • Gleichgewichtssinn (vestibuläre Wahrnehmung)
  • Schmerzwahrnehmung
  • Wahrnehmnung der inneren Organe (viszerale
  • Sinne)
  • Tiefensensibilität (Propriozeption)


Die viszeralen Sinne sorgen z. B. für Hungergefühle oder Durst. Mit Propriozeption ist die Eigenwahrnehmung von Körperbewegung und -lage gemeint (z. B. Position des
Körpers und Stellung der Gelenke und des Kopfes im Raum oder Erkennen der Bewegungsrichtung). Auch wenn sich Wissenschaftler bei einigen Sinnen noch über die Ausdifferenzierung streiten, können wir beim Menschen von etwa zehn Sinnen ausgehen. Manche Tiere verfügen über spezielle Sinne, so können sich Vögel am Erdmagnetfeld
orientieren und manche Fische ihre Fortbewegung auf elektrische Felder im Wasser ausrichten. Bei der Auflistung habe ich Antennen als „Sonderform“ von Sensoren berücksichtigt.
Und es kommen immer weitere dazu: Stimmerkennung, Chemisches Spektrometer oder Elektrokardiogramm.

Infokasten Phyphox

Die an der RWTH Aachen entwickelte App „phyphox“ nutzt die Sensoren moderner Smartphones zur Messwerterfassung. Über den verbauten Beschleunigungssensor und das Gyroskop kann die radiale Beschleunigung einer Kreisbewegung untersucht, über das Mikrofon mit einfachsten Mitteln die Schallgeschwindigkeit bestimmt oder über das Barometer die Bewegung eines Fahrstuhls nachvollzogen werden. Die Messdaten werden in zoombaren Graphen dargestellt und einzelne Punkte sowie Differenzen und Steigungen sind direkt ablesbar.

© Sebastian Staacks, RWTH Aachen

Ein Chemisches Spektrometer ist ein Analysegerät, das die chemische Beschaffenheit von Objekten erkennt, z. B., ob Gemüse Rückstände von Pestiziden aufweist, wie frisch das Hackfleisch ist oder ob ein Gebrauchtwagen noch überall die Originallackierung hat. Im Magdeburger Virtual Development and Training Center des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung (IFF) wurde die HawkSpex mobile genau für diese Zwecke entwickelt – realisiert mit den handelsüblichen Sensoren eines Android-Smartphones. [2] Ein weiteres Tool ist die App Phyphox der RWTH Aachen. Ohne an dieser Stelle zu detailliert zu werden, lässt sich zusammenfassen: Unsere Sinne versorgen uns mit Daten, die unser Gehirn in Informationen umwandelt, um handlungsfähig zu werden. Der Kybernetiker Heinz von Foerster beschreibt das mit seinem Postulat der Kognitiven Homoöstase so: Das Nervensystem ist so organisiert (bzw. organisiert sich selbst so), dass es eine stabile Realität errechnet. [3] Sensoren im Smartphone oder in PKW erfassen ebenfalls Daten. Diese können unsere Sinne erweitern oder uns durch auditive oder visuelle Signale warnen. Bei einfachen „Assistenzsystemen“ reden wir noch nicht von Künstlicher Intelligenz (KI). Eine KI basiert, wie die Intelligenz eines Menschen auf einem Netzwerk, – das Internet entspricht dabei unserem neuronalen Netz – und einem Gehirn zur Datenverarbeitung (bei der KI ein Computer). Da hier die Rede von sehr, sehr vielen Daten ist – im IT-Jargon spricht man von Big Data –, wird ein sehr schnelles Netzwerk, sprich Internet, benötigt. Ohne flächendeckende Verfügbarkeit des schnellen Mobilfunkstandards G5 wird zum Beispiel kein „autonomes Fahren“ möglich sein.

Digitalisierung und Mobilfunk

Am Beispiel eines Fotos, aufgenommen mit einem Smartphone (z.B. iPhone 7) in einer hohen Auflösung von 3024x4032, lässt sich das Verhältnis Datengröße und Übertragungsgeschwindigkeit gut demonstrieren. Es entspricht einem Datenvolumen von etwa 1,7 MB. Die Übertragung in einem Mobilfunknetz der ersten Generation hätte etwa fünf Minuten benötigt und selbst im ersten UMTS-Netz hätte es knapp eine Minute gedauert.

Das Herzstück von LEGO® MINDSTORMS® Education EV3 ist der intelligente EV3-Stein mit drei interaktiven Servomotoren und diversen Sensoren. Foto: LEGO® Education

Was ist Künstliche Intelligenz?

„Wir verstehen unter künstlicher Intelligenz Technologien, die menschliche Fähigkeiten im Sehen, Hören, Analysieren, Entscheiden und Handeln ergänzen und stärken.“ [4]
So umschreibt der Technologiekonzern Microsoft sein Verständnis von KI und nennt  dafür auch einige Beispiele: „… Dienste zur Bild-, Audio-, Text-, Sprach- und Emotionserkennung – oder auch Bots, die bestimmte Aufgaben selbstständig, automatisiert und meist wiederholt ausführen.“ – Fertigkeiten also, die den Menschen in bestimmten Bereichen auch ersetzen können. Zum Potenzial von KI heißt es dann in dem Beitrag weiter: „Wir sind uns sicher, dass KI sämtliche Industrien beeinflussen und maßgeblich verändern wird und zentrale Herausforderungen in der Welt begegnen kann, z. B. im Gesundheitssektor oder in der Bildung. KI-Technologien wie Machine Learning ermöglichen es, Datenmengen zu analysieren, zu interpretieren und daraus Muster zu erkennen und Entscheidungsgrundlagen zu erstellen – schneller als Menschen es können.“

 

Zeitschrift
Unterricht Chemie Nr. 145/2015 Digitale Werkzeuge

Mobile digitale Geräte wie Smartphones und Tablets gehören heute selbstverständlich zum Alltag von Schülerinnen und Schülern. Dass digitale Medien auch für die Gestaltung des Chemieunterrichts genutzt werden und dort eine echte Bereicherung sein können, zeigen die Beispiele in diesem Themenheft.

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Fairerweise soll eine Aussage aus dem zitierten Online-Beitrag nicht unterschlagen werden: „Der Mensch und die Förderung seiner Fähigkeiten stehen dabei immer im Fokus der Überlegungen und Weiterentwicklungen.“ Vielleicht sind Sie bei der obigen Aufzählung über den Begriff „Emotionserkennung“ gestolpert. Wie so etwas funktioniert, schildert die Deutschlandfunk-Nova-Filmexpertin Anna Wollner in einem Blogbeitrag: „Um mehr über Reaktionen und Emotionen des Filmpublikums zu erfahren, hat der Disney-Konzern bereits vor einigen Jahren eine Art Scanner entwickelt, der im Kino die Gesichter liest. Pro Zuschauer erfassen Kameras 68 Marker im Gesicht. Das Programm kann die emotionalen Reaktionen der Gesichter entschlüsseln und weiß, ob die Leute gelacht, geweint oder sie sich erschreckt haben.“ [5] Der Beitrag stammt aus dem Jahr 2017, mittlerweile dürften nahezu alle hochwertigen Kamerasysteme in Smartphones dazu in der Lage sein. Alle genannten Anwendungsfälle von Künstlicher Intelligenz basieren auf „Big Data“, Mustererkennung und Algorithmen.

Informatische Grundbildung

Es ist daher nur konsequent, wenn die Strategie der Kultusministerkonferenz Bildung in der digitalen Welt dem Thema Algorithmen einen eigenen Kompetenzbereich widmet,
der die in Schule verbindlich zu erwerbenden Kompetenzen wie folgt beschreibt [6]:

5.5.     Algorithmen erkennen und formulieren
5.5.1.  Funktionsweisen und grundlegende
            Prinzipien der digitalen Welt kennen
            und verstehen
5.5.2.  Algorithmische Strukturen in genutzten
            digitalen Tools erkennen und formulieren
5.5.3.  Eine strukturierte, algorithmische Sequenz
            zur Lösung eines Problems
            planen und verwenden

In der Einleitung dieses Beitrags schreibe ich „Eine Möglichkeit, Phänomene der Digitalisierung im schulischen Kontext zu behandeln, bietet der Themenkomplex ‚Sinne
und Sensoren‘.“ Nun am Ende – und nach einigen theoretischen Überlegungen – möchte ich einige Anregungen für die Thematisierung im Unterricht geben. Die heute
in einem handelsüblichen Smartphone verbauten Messgeräte (Sensoren) standen noch vor 15 Jahren nur als teure Geräte einer Physiksammlung für Experimente zur Verfügung. Aber was liegt näher, als die Fülle an Sensoren in Smartphones für den Physikunterricht zu nutzen? Dies hat sich ein Projekt der RWTH Aachen unter Leitung von Sebastian Staack zur Aufgabe gemacht – das Ergebnis ist die kostenlose App Phyphox (siehe Infokasten). Auch Mikrocontroller wie Calliope oder Arudino verfügen über eine Anzahl von Sensoren,
bzw. lassen sich weitere Sensoren mit ihnen koppeln. So können Messdaten erfasst, ausgewertet und geteilt werden. Speziell für den schulischen Einsatz, z. B. den Bau einer Umweltmessstation, wurde die SenseBox an der Uni Münster entwickelt (siehe Beitrag "Mit Umweltdaten die digitale Bildung verändern").

Aktuelle Fahrzeuge mit Assistenzsystemen verfügen allein über mehr als 20 unterschiedliche Radarsensoren. Dazu kommen unzählige weitere Sensoren, wie

  • Positionssensoren bei der Füllstandsmessung im Kraftstofftank oder dem Motorölbehälter,
  • Drehzahlsensoren zur Messung der Drehgeschwindigkeit von Kurbelwelle und Nockenwelle,
  • Beschleunigungssensoren bei Gurtstraffer und Airbags,
  • Drucksensoren in Benzinleitung, Bremsleitung, Klimaanlage oder Reifendruck,
  • Temperatursensoren im Kühlsystem, der Ölwanne, dem Kraftstofftank oder dem Innenraum (Klimaanlage),
  • Kraftsensoren an den Pedalen, im Brems und Lenksystem,

und weitere, unter anderen Durchflusssensoren, Klopfsensoren oder Drosselklappensensor. Einige dieser Anwendungsfälle von Sensoren in einem Auto lassen sich mit Mikrocontrollern nachbauen und programmieren, z. B. Füllstands- oder Temperaturmessungen. Mit geeigneten Robotiksystemen, wie denen von LEGO Education, können Fahrzeuge gebaut, Sensoren angeschlossen und das Verhalten basierend auf den Messdaten programmiert werden. Mittels Ultraschallsensor lässt sich so eine Einparkhilfe simulieren. Wie bei SenseBox und Phyphox gibt es auch bei LEGO Education ausführliche Materialien zum Einsatz im Unterricht und Hinweise zu Curriculumsbezügen. Gerade am Phänomen Automobil, – mit Benzin- oder Elekromotor, selbstgesteuert, mit Assistenzsystemen oder zukünftig autonom fahrend – lässt sich fächerübergreifend und forschend Informatische Grundbildung vermitteln. Schulen, die sich aktuell mit der Beantragung von Fördermitteln aus dem DigitalPakt Schule befassen, sollten daher nicht nur an WLAN und Tablets denken. Förderfähig sind auch [4]: „… digitale Arbeitsgeräte, insbesondere für die technisch- naturwissenschaftliche Bildung oder die berufsbezogene Ausbildung.“