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Visually guided grasping and its effects on visual representations

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Wie unser Gehirn über den Sehsinn das Zugreifen plant

Im alltäglichen Leben greifen wir mühelos nach Gegenständen und heben sie auf, ohne viel darüber nachzudenken. Für Roboter jedoch ist dieses Vorgehen, so einfach es uns Menschen auch erscheinen mag, ein rechnerisch anstrengendes Manöver. Im Rahmen EU-finanzierter Forschung wurden computergestützte Modellierung, Verhaltensneurowissenschaften und Messungen der Hirnaktivität kombiniert, um zu untersuchen, wie unser Gehirn die Koordination zwischen Auge und Hand steuert, um erfolgreiche Greifbewegungen zu planen.

Grundlagenforschung
Gesundheit

Unser Sehsinn steuert unser auf Objekte abzielendes Handeln. Wird zum Beispiel jemand darum gebeten, das Salz weiterzureichen, würde er zuerst suchend auf dem Tisch herumblicken und dann mit der Hand danach greifen. Wie unser Gehirn dieses scheinbar triviale Verhalten zustandebringt, ist jedoch noch nicht ausreichend geklärt. Für jede gewünschte Tätigkeit, sei es das Umrühren einer Tasse Kaffee oder das Führen eines Stiftes zwischen Daumen und Zeigefinger über ein Blatt Papier, bewegen wir unsere Finger auf eine raffinierte Weise, die uns fest und bequem zugreifen lässt. Irgendwie findet das Gehirn heraus, welche Griffvarianten von all den verfügbaren Möglichkeiten tatsächlich von Erfolg gekrönt sein werden. „Endlich zu verstehen, wie wir unser Sehvermögen nutzen, um nach beliebigen Gegenständen zu greifen und zweckgemäß mit ihnen umzugehen, ist bereits seit langer Zeit Ziel der Verhaltensforschung. Zudem handelt es sich auch für modernste Robotiksysteme um eine gewaltige rechnerische Herausforderung; in fast 20 % der Fälle scheint es wirklich schwer zu sein, effektiv zuzugreifen“, berichtet Guido Maiello, Koordinator des im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierten Projekts VisualGrasping.

Wie kombiniert das Gehirn verschiedene Regeln zu einer Bewegung?

„Unserer Hypothese zufolge wendet das Gehirn eine Reihe von Regeln an, um das erfolgreiche Zugreifen zu veranlassen. Diese dürften auf Informationen über die dreidimensionale Form, die Ausrichtung und die Materialzusammensetzung des Objekts beruhen“, fügt Maiello hinzu. Das Forschungsteam befestigte kleine Markierungen an den Händen bezahlter Freiwilliger und zeichnete auf diese Weise deren Handbewegungen beim Hantieren mit Objekten aus verschiedenen Materialien auf. Einige Objekte wurden dreidimensional gedruckt, um komplexe Formen zu erzeugen. Das Team kombinierte diese Verhaltensbeobachtungen mit Computermodellen, die tatsächlich vorhersagen konnten, auf welche Weise die Menschen die Gegenstände greifen würden. Die Simulationen schienen perfekt mit den experimentellen Ergebnissen übereinzustimmen.

Wie sieht das Gehirn die Welt in 3D?

Die Forschungsgruppe ging noch einen Schritt weiter und versuchte herauszufinden, wie das Gehirn aus jenen zweidimensionalen Bildern, die unsere Augen erreichen, die dreidimensionale Form eines Objekts rekonstruiert. Maiello erläutert dazu: „Die vom Menschen mit seinem Sehvermögen wahrgenommene dritte Dimension entsteht dadurch, dass das Gehirn disparate (vom linken und rechten Auge erzeugte) Bilder zu einem Ganzen zusammenfügt, wobei dieses Phänomen des räumlichen Sehens auch als Stereopsis bezeichnet wird. Jedoch lassen die Struktur unserer Netzhäute und die Informationsverarbeitungsfähigkeiten unseres Gehirns nur unvollkommene Rekonstruktionen unserer dreidimensionalen Umgebung zu.“ Um diese Grenzen genauer auszuloten, wurden die Teilnehmenden darum gebeten, Stereobilder zu betrachten und die wahrgenommene Tiefe zu beschreiben. Festgestellt wurde, dass die Ergebnisse mit theoretischen Modellierungsansätzen übereinstimmten, die zu beschreiben versuchen, wie unser Gehirn aus zweidimensionalen Bildern die Tiefe extrahiert und verarbeitet. „Unsere ausgeklügelten Modelle könnten die Bausteine für die Aufstellung einer umfassenden Theorie über die Nutzung des Sehens beim Menschen zum Steuern der Handmotorik sein. Insbesondere wollen wir weiter klären, wie die eingehenden visuellen Reize, die von den Netzhäuten aufgenommen und in elektrochemische Signale umgewandelt werden, in das komplexe Netzwerk der Nervenzellen im visuellen und motorischen Cortex eingespeist und dort verarbeitet werden. Diese neuronalen Berechnungen sind für die expliziten motorischen Befehle verantwortlich, welche die feinen Bewegungen der Annäherung und des Greifens steuern“, erklärt Maiello. Die Erkenntnisse des Projekts darüber, wie der Mensch anhand des Sehvermögens seine Greifbewegungen plant, könnten weitreichende Auswirkungen auf verschiedene technische Anwendungen haben, etwa die Konzipierung effektiverer Roboteraktuatoren sowie immersiverer und nutzungsfreundlicherer Technologien mit erweiterter Realität. Auf dem Gebiet der Medizin könnten sie ein entscheidendes Maß an Kontrolle bei neurologischen Erkrankungen und in der Neurorehabilitation erbringen und offenbar dazu beitragen, die Mechanismen der Verschlechterung und des Verlusts des Sehvermögens aufzudecken.

Schlüsselbegriffe

VisualGrasping, Gehirn, Greifen, Sehvermögen, Verhaltenswissenschaften, Modellierung, Roboteraktoren, erweiterte Realität, neurologische Erkrankungen

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