„Langsam aussteigen, Hände über den Kopf, mit dem Gesicht zum Wagen!” Ruhig, aber bestimmt erklärt Steve Carrington dem Verdächtigen, was er tun soll. Dann überprüft er die Papiere und durchsucht das Fahrzeug nach Sprengstoff und geschmuggelter Ware. Carringtons Kollege sichert unterdessen mit der Waffe im Anschlag. Im Ernstfall kann ein Fehler bei einer Personenkontrolle über Leben und Tod eines Soldaten oder Polizisten entscheiden. Doch diesmal ist alles harmlos, nur eine Übung.
Der Wagen, die Umgebung, die Personen – die komplette Szene ist simuliert. Steve Carrington und sein Kollege bewegen sich – ausgestattet mit Datenhelm und -handschuhen – in einem Trainingsraum und tauchen ein in eine realistisch dargestellte dreidimensionale virtuelle Welt. Dort finden sie sich selbst als Avatare wieder: als digitale Stellvertreter, die aussehen und sich bewegen wie die beiden Rekruten. Jeder Schritt, jeder Handgriff und jeder Fingerzeig werden von den Avataren nachvollzogen. Auch der Verdächtige existiert nicht wirklich. Er ist ein digitaler Dummy, der von einem raffinierten Computerprogramm gesteuert wird – und der zugleich als Trainer fungiert, auf die Handlungen der beiden Auszubildenden eingeht, mit ihnen redet und erklärt, wenn sie etwas falsch gemacht haben. Schon in wenigen Jahren wird die Ausbildung von Soldaten und Polizisten tatsächlich auf diese Weise ablaufen, ist Thomas Alexander überzeugt. Er arbeitet am Forschungsinstitut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie (FKIE) im rheinländischen Wachtberg-Werthoven. Sein Forschungsobjekt sind „ Menschmodelle”: digitale Abbilder des Menschen, die Körperhaltung, Körperkonturen und Bewegungen im Rechner nachbilden. Alexander war einige Jahre lang deutscher Sprecher einer Forschungsgruppe der NATO. Er weiß: Neben zivilen Forschungsinstitutionen wird vor allem bei militärischen Einrichtungen seit Jahren eifrig an der Realisierung eines solchen virtuellen Trainingsszenarios getüftelt. „Der Trend geht hin zur Integration von Menschmodellen in die Virtuelle Realität” , sagt er.
Noch aber ist das Zukunftsmusik. Virtuelle Stellvertreter des Menschen haben sich bisher vor allem dort etabliert, wo es darum geht, Arbeitsplätze oder neue Produkte ergonomisch zu gestalten. Ob an der Werkbank einer geplanten Fabrik, vor dem Bildschirm am Büroschreibtisch, im Cockpit eines neuen Flugzeugs oder Automobils – virtuelle menschliche Gestalten sorgen dafür, daß die Anordnung von Bedienelementen, Werkzeugen und Anzeigetafeln optimal an die physischen und mentalen Bedürfnisse des Menschen angepaßt werden. Und dies, lange bevor der Startschuß für den Bau der Fabrik fällt oder der erste Prototyp des neuen Fahrzeugs aus der Montagehalle rollt. Das macht nachträgliche Umbauten und Änderungen in vielen Fällen überflüssig und hilft so, Zeit und Kosten zu sparen. Auch für die Computer-Simulation von Crash-Tests werden digitale Dummys eingesetzt. So lassen die Fahrzeugentwickler beim bayerischen Automobilbauer BMW keine Testwagen mehr aufeinanderprallen, bevor der Crash am Rechner dutzendfach durchgespielt worden ist. „Das Ziel ist, den Verschleiß an Material so weit wie möglich zu reduzieren”, sagt BMW-Sprecher Jochen Frey. „Reale Prototypen kommen nur noch zum Einsatz, wenn die Tester sicher sind, daß die Versuche erfolgreich verlaufen.” Einem echten Crash gehen deshalb bis zu 1000 Simulationsläufe am Rechner voraus. Eine besonders große Herausforderung stellen derzeit neue Materialien wie Aluminium und Kohlefaser-Verbundwerkstoffe dar. Denn ihr Einsatz in den Fahrzeugen macht neue Schweiß- und Verbindungstechniken beim Zusammenbau erforderlich. „Damit verhält sich die Karosserie nicht mehr wie gewohnt, und auch die Crashs verlaufen anders”, berichtet Frey. Hier sind viele Computer-Simulationen nötig.
Meist sitzt bei virtuellen Crash-Tests MADYMO hinterm Steuer – ein von der niederländischen Forschungsorganisation TNO eigens für diesen Zweck entwickeltes digitales Ebenbild der realen Testpuppen. Gefordert ist MADYMO nicht nur bei der Simulation von Standard-Kollisionen und zum Testen der Wirksamkeit von Airbags und Gurten. Auch für die Analyse von Unfällen, die sich tatsächlich auf der Straße ereignet haben, wird die digitale Puppe eingesetzt. Bei BMW sammelt dazu eine eigens eingerichtete Abteilung alle verfügbaren Daten zu Unfällen, an denen Autos mit dem blau-weißen Logo beteiligt waren. Am Rechner wird der Unfallhergang dann bis ins Detail nachgespielt. Das Ziel der Unfallforscher: den Ablauf und die Folgen des Aufpralls für die Insassen möglichst genau zu ermitteln, um Schwachpunkte bei der Sicherheit für Fahrer und Mitfahrer ausfindig zu machen und auszumerzen. Während bei virtuellen Crash-Test-Dummys vor allem physikalische Eigenschaften des menschlichen Körpers wie Trägheitsmomente, Widerstandskräfte oder die in den Muskeln wirkenden Kräfte eine Rolle spielen, kommt es beim ergonomischen Design von Arbeitsplätzen sowie von Auto- oder Flugzeug-Cockpits auf die Körpermaße und Proportionen an. Deshalb wurden seit Anfang der siebziger Jahre weit über hundert sogenannte anthropometrische Menschmodelle entwickelt. Sie bestehen alle aus einem vereinfachten Skelett, bei dem die einzelnen Gelenkpunkte mit Stäben verbunden sind. Auf diesen Stäben sitzen Scheiben, deren Eckpunkte miteinander verknüpft sind. Dadurch entsteht ein Gitter, das die menschliche Haut repräsentiert. Durch Variation der Länge der einzelnen Stäbe lassen sich Menschen mit verschiedener Größe, unterschiedlichem Körperumfang, kurzen oder langen Armen und Beinen modellieren. Durch Änderung der Gelenkwinkel können die Modelle beliebige Körperhaltungen nachbilden, nach Gegenständen greifen und einfache Bewegungen nachvollziehen.
Safework, Jack, Franky und ERGOMan sind nur einige Namen von digitalen Malochern, die stellvertretend für reale Arbeiter am Montageband stehen, Maschinen bedienen, Bauteile stanzen, löten oder verschrauben. Sie helfen dem Planer eines Arbeitsplatzes frühzeitig am Computer zu erkennen, ob alle benötigten Teile gut erreichbar sind und ob die Arbeit mit unnötigen körperlichen Belastungen verbunden ist. Indem der Planer durch die Augen des virtuellen Arbeiters blickt, kann er zudem überprüfen, ob dieser eine freie Sicht auf alle Bereiche seines Arbeitsplatzes hat.
Spezialist für die Gestaltung von Fahrzeuginnenräumen ist RAMSIS – ein Modell, das das Pfälzer Softwarehaus Tecmath, eine Ausgründung der Universität Kaiserslautern, gemeinsam mit mehreren deutschen Automobilherstellern entwickelt hat. Rund 70 Prozent aller Automobilbauer weltweit verwenden heute diesen digitalen Dummy in der Fahrzeugentwicklung. RAMSIS checkt, ob Schalter, Knöpfe und Pedale leicht zu erreichen sind, ob sich Anzeigeinstrumente und Signallampen mühelos einsehen lassen und ob die Verstellbereiche von Sitz, Lenkrad und Sicherheitsgurten ausreichend dimensioniert sind. An der virtuellen Testperson läßt sich sogar erkennen, ob die Insassen komfortabel im Fahrzeug sitzen. Dazu vergleichen die Konstrukteure die an dem Modell ermittelten Gelenkwinkel mit Werten, die bei Tests mit echten Menschen gemessen wurden.
Damit später nicht nur Fahrer mit durchschnittlicher Statur, sondern auch Hünen und Kleinwüchsige bequem in dem Wagen sitzen und fahren können, lassen die Ingenieure vor allem Dummys einsteigen, die solche „Randtypen” verkörpern. Selbst die „ Akzeleration” – die allmähliche Änderung der durchschnittlichen Körpermaße in der Bevölkerung – berücksichtigen die Konstrukteure. Im Schnitt dauert es etwa sechs Jahre vom ersten Entwurf bis zum Start der Serienfertigung für ein neues Automobil. Aktuelle Studien (siehe Kasten) belegen: Die Menschen werden immer größer. Damit auch noch nach sechs Jahren der Fußraum ausreichend bemessen ist und sich Sitze wie Gurte großzügig genug verstellen lassen, nehmen die digitalen Dummys das Wachstum der Menschen bei der Innenraumgestaltung vorweg. So flexibel die virtuellen Dummys sind, wenn es darum geht, die Körperhaltungen des Menschen nachzubilden – so unbeholfen bewegen sie sich zum Teil noch. „Bisher ist es nur möglich, die Bewegung von Händen, Armen, Füßen und des Kopfes naturgetreu zu simulieren” , sagt Prof. Heiner Bubb, Professor für Ergonomie an der Technischen Universität München, und einer der „Väter” von RAMSIS. „Unser Ziel ist es, die Bewegung des gesamten menschlichen Körpers realitätsnah nachzubilden, um vorhersagen zu können, wie sich ein Mensch in einer bestimmten Situation am wahrscheinlichsten bewegt”, erklärt Bubb. Dynamische Modelle sollen künftig das Ein- und Aussteigen von Personen beliebiger Größe und Statur am Rechner gut simulieren.
Die Menschmodelle werden aber nicht nur beweglicher, sie entwickeln sich auch allmählich von Spezialisten zu Allroundern. „ Physikalische und anthropometrische Modelle wachsen immer mehr zusammen”, sagt Heiner Bubb. Damit lassen sich die digitalen Dummys nicht nur vielseitiger einsetzen, sie werden auch verläßlicher und genauer. Zum Beispiel bei der Crash-Test-Simulation: „Deren Aussagekraft hängt entscheidend von einer möglichst natürlichen Haltung der digitalen Puppe vor der Kollision ab”, erklärt Bernhard Rothaug von Tecmath. Um diese Körperhaltung zu bestimmen, setzt sich deshalb zunächst ein Ergonomie-Dummy wie RAMSIS ans Steuer. Erst für den eigentlichen Crash tauscht er den Platz mit einer Unfall-erprobten Computer-Testpuppe. Doch auch die drahtigen Ergonomie-Dummys können noch lernen – zum Beispiel, wenn es darum geht, die Bequemlichkeit eines gepolsterten Sitzes im Computermodell zu ermitteln. Bisher bereitet diese Aufgabe den Konstrukteuren großes Kopfzerbrechen. Denn beim Platznehmen verformen sich sowohl der Sitz als auch das Hinterteil des digitalen Menschen, so daß es sehr schwierig ist, das Sitzen zu simulieren. Deshalb haben Heiner Bubb und seine Mitarbeiter am Ergonomie-Lehrstuhl der TU München einen Forschungssitz entwickelt, an dem sich die Druckverteilung beim Einsitzen in das Polster für beliebige Formen des Sitzes bestimmen läßt. Daraus soll ein Modell entstehen, mit dem sich vorhersagen läßt, wie komfortabel sich ein Mensch auf seiner Unterlage fühlt – eine wichtige Voraussetzung für eine schnellere und einfachere Entwicklung neuer Sitze. Die Wissenschaftler denken noch weiter. Das Zauberwort für die Zukunft heißt Kognition: Die Modelle sollen lernen, ihre Umwelt wahrzunehmen, Gefahren zu erkennen und darauf zu reagieren. Schon heute läßt sich an den Modellen simulieren, was ein Fahrer beim Blick aus der Frontscheibe oder in den Rückspiegel sieht – oder nicht sieht, weil ihm die Sicht etwa durch ungünstig angeordnete Karosserieholme versperrt ist. Künftig sollen die digitalen Dummys dies bemerken und automatisch entsprechend ihren Kopf zur Seite oder nach vorne neigen.
„Die Modelle werden eine gewisse Art von Intelligenz erhalten” , sagt Heiner Bubb. „Ziel ist es beispielsweise, vorherzusagen wie ein Mensch sich am wahrscheinlichsten verhalten wird, wenn er durch einen äußeren Reiz von seiner Aufgabe abgelenkt wird”, erklärt der Ergonomie-Experte. Wohin wendet der Mensch seinen Blick, wie ändert sich dabei seine Körperhaltung, wird dadurch die Erfüllung seiner Aufgaben behindert – und wie läßt sich das durch ein verbessertes Design verhindern?
Der Schritt von der Entwicklung eines kognitiven, „ intelligenten” Dummys hin zu seiner Einbindung in eine Virtuelle Realität ist dann nicht mehr groß. Schon in etwa fünf Jahren, schätzt Thomas Alexander vom FKIE, könnten virtuelle Trainer, wie sie etwa die US-Armee entwickelt, in der militärischen Ausbildung zum Einsatz kommen. In Zukunft wären dann auch Telekonferenzen denkbar, bei denen sich zum Beispiel zwei Flugzeugkonstrukteure an zwei weit entfernten Standorten durch virtuelle Doppelgänger vertreten lassen, die sich gemeinsam um das dreidimensionale Computer-Modell eines neuen Jets bewegen, problematische Details des Entwurfes anschauen und mögliche Änderungen besprechen – lange bevor der erste reale Prototyp existiert.
Die Vermessung des Menschen Jeder Mensch ist anders. Nicht nur Mann und Frau haben einen anderen Körper, sondern auch Jung und Alt. Die Bewohner mediterraner Länder sind im Schnitt rund zehn Zentimeter kleiner als Nordeuropäer, Asiaten sind schmächtiger als Europäer. Daher lassen sich die Menschen nicht in ein standardisiertes Modellschema pressen. Um ein verläßliches mathematisches Modell der menschlichen Körperhülle zu entwerfen, das an möglichst viele Personentypen angepaßt werden kann, benötigen die Wissenschaftler eine große Menge an Daten zu Körpermaßen und Proportionen von Menschen aus aller Welt.
In vielen Ländern sammeln deshalb Universitäten, Forschungsinstitute und die Armeen regelmäßig solche anthropometrischen Daten. Für das jüngste Vermessungsprojekt namens CAESAR, an dem sich neben Wissenschaftlern des Air Force Research Laboratory der Wright-Patterson Air Force Base in Dayton (Ohio) die amerikanische Ingenieursvereinigung SAE sowie Bekleidungshersteller beteiligten, nahmen Forscher in den USA, den Niederlanden und Italien Maß an mehreren tausend Frauen und Männern. Die Resultate bestätigen: Die Menschen schießen immer mehr in die Höhe – in den USA wachsen Männer knapp einen, in Mitteleuropa 1,5 Zentimeter in zehn Jahren, die Japaner legen sogar um 2,5 Zentimeter pro Dekade zu. Auch die Leibesfülle nimmt zu – vor allem in den USA. Und: Die weiblichen Brüste werden allmählich größer.
Um die Körpermaße zu ermitteln, werden heute meist „ 3D-Bodyscanner” verwendet, die den gesamten Körper mit Hilfe von Laserlicht abrastern. Ein Beispiel ist „Vitus” vom Wiesbadener Unternehmen Vitronic. Mit ihm läßt sich ein Mensch in wenigen Sekunden vom Kopf bis zu den Zehenspitzen auf ein bis zwei Millimeter genau vermessen. Dazu beleuchten vier Laser den Körper mit Strahlen, die zu breiten Lichtfächern aufgeweitet sind. Mehrere Digitalkameras nehmen das vom Körper reflektierte Licht unter verschiedenen Winkeln auf, und ein Rechner setzt die bis zu sechs Millionen Bildpunkte zu einem 3D-Bild zusammen. Indem ein mathematisches Menschmodell wie RAMSIS in die Bildpunkte hinein „ aufgeblasen” wird, bis es exakt mit dem gescannten Bild übereinstimmt, entsteht ein „virtueller Zwilling” – ein exaktes äußerliches Ebenbild der realen Person. Eine mögliche Anwendung: die Herstellung maßgefertigter Kleidung. (Mehr dazu im Beitrag „ Denkende Kleider” auf S. 66).
Kompakt Computermodelle des Menschen ersetzen immer häufiger lebendige Versuchspersonen bei Crash-Tests sowie bei der Gestaltung neuer Produkte und Arbeitsplätze. Wissenschaftler tüfteln an einer Simulation menschlicher Wahrnehmung und Reaktionen. Digitale Stellvertreter werden künftig an Telekonferenzen teilnehmen und für die Ausbildung in einer Virtual Reality-Umgebung eingesetzt.
Bdw community INTERNET Umfassende Informationen zu Ergonomie und Menschmodellen beim Lehrstuhl für Ergonomie der TU München http://www.ergonomie.tum.de
Forschungsinstitut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie http://www.fgan.de/FKIE /De/index.html
Infos über die ergonomische Gestaltung von Arbeitsplätzen bietet das Institut für Arbeitswissenschaft der TU Darmstadt http://www.arbeitswissenschaft.de
Forschung zur Menschmodellierung am Air Force Research Laboratory der Wright-Patterson Air Force Base in Dayton (Ohio) http://www.hec.afrl.af.mil/cardlab
Projekt CAESAR zur Vermessung von Menschen in den USA und in Europa http://www.sae.org/technicalcommittees/caesar.htm
Anthropometrische Menschmodelle RAMSIS, Jack, Safework und ERGOMan http://www.tecmath.de http://www.human-solutions.de http://www.eai.com/solutions/VF/jack.html http://www.delmia.com/solutions/html/ergonomics.htm
Digitaler Crash-Test-Dummy MADYMO http://www.madymo.com
3D-Bodyscanner „Vitus” von Vitronic http://www.vitronic.de/produkte_de.html
Forschungsprojekt „Bekleidung nach Maß” http://www.bekleidung-nach-mass.de
Ralf Butscher
