Experiment: Eine menschliche Neuroprothese - Nimm′ den freien Willen einer anderen Person

Hast du dir schonmal vorgestellt wie es wäre deinen freien Willen zu verlieren? Oder würdest du gern den freien Willen einer anderen Person nehmen? Dies ist nun möglich mit der Mensch zu Mensch Schnittstelle, auch "Human-Human-Interface Experiment" genannt.

Dauer 2 Stunden

Schwierigkeitsgrad Fortgeschritten

Was lernt man hier?

Als Fortsetzung unserer Experimentierreihe 1) Die Neuroprothese und 2) Das Muskel SpikerShield Experiment, wirst du lernen wie man etwas mit seinen Muskelsignalen steuern kann. In diesem Fall den Arm eines anderen Menschen! Dafür benutzten wir transkutane elektrische Nervenstimulation (TENS). Das heißt, das Muskelpotential einer Person wird so weit verstärkt bis der Arm einer zweiten Person sich bewegt.

Voraussetzung

Muscle SpikerShield - Du solltest mit dem Muscle SpikerShield vertraut sein und wissen wie man ihn benutzt. Das gleiche gilt für den Arduino

Ausrüstung

Human-Human Interface

Hintergrund

Anmerkung: Ein TENS Gerät wird dazu benutzt Muskelkontraktionen durch Stromimpulse hervorzurufen. Platziere die Elektroden nicht auf die Muskeln deines Halses oder deiner Brust. Dieses Experiment ist nur für Schüler geeignet, die verantwortungsbewusst handeln. Elterliche Aufsicht ist benötigt für jüngere Altersklassen (z.B. 8. Klasse).

Wir haben uns in den vorherigen Experimenten bereits mit Neuroprothesen beschäftigt. Eine Maschine wird dabei so entwickelt, dass sie mit lebenden Nervenzellen verbunden wird, um ein Gerät zu kontrollieren oder, um einen nicht vorhandenen oder schlecht funktionierenden Sinn künstlich herzustellen (sensorische Substitution). Aber wie sieht′s da bei unseren Muskeln aus? Wenn die Nerven in deiner Wirbelsäule verletzt wurden (z.B. Querschnittslähmung), können die Muskeln selber noch stimuliert werden, und dieser Wissenschaftsbereich wird "funktionelle elektrische Stimulation" genannt.

Funktionelle elektrische Stimulation wird oft benutzt, um Leuten beim Aufstehen zu helfen oder, um ihr Laufen zu verbessern indem das Vorschwingen des Beines unterstützt wird.

Ebenfalls wichtig: künstliche Gliedmaßen, wie zum Beispiel ein Roboterarm, benutzen elektrische Aktivität, die vom Elektromyogramm der Brustmuskeln generiert werden, um die Motoren und Schaltkreise des Roboterarms zu kontrollieren. Eine Paradebeispiel ist Jesse Sullivan, der seinen Arm bei einer Elektroinstallation verloren hat. Die Firma RSLSTEEPER, hat einen bionischen Arm, den "bebionic3" , entwickelt, der nach den gleichen Prinzipien funktioniert aber die Muskelaktivität des amputierten Stumpfs benutzt, um Handgelenk- und Handbewegungen zu kontrollieren.

Wie funktionierts?

Aufbau

Der Kontrollierende

Orangenes Elektrodenkabel in den SpikerShield stecken
Platzier′ zwei Elektrodenpatches (weiße Umrandung, in der Mitte mit Elektrodengel) auf deinem Unterarm + 1 auf deinen Handrücken (s. Abbildung unten) und verbinde die Alligatorclips mit den Metallstöpseln der Elektroden. Schwarz = Handrücken. Die 2 Roten Clips = egal wie herum, auf die Unterarmelektroden.

Und jetzt: Der Kontrollierende kontrahiert seine Unterarmmuskeln durch das Bilden einer Faust. Je stärker die Faust zum Unterarm gezogen wird desto mehr LEDs sollten aufleuchten, genauso wie beim Muscle SpikerShield Experiment.
Wichtig: Wenn du den weißen Knopf direkt unter den LEDs drückst, änderst du die Sensitivität. Je nachdem wie oft du ihn drückst, musst du fester oder schwächer kontrahieren, um alle Lichter aufblitzen zu lassen.

So, jetzt fehlt nur noch die Verbindung zum ′Kontrollierten′.
Der Kontrollierte

Du musst die Frequenz an deinem TENS Stimulator einstellen. Wie du unten siehst haben wir ihn auf 10Hz eingestellt und wir setzen die Pulse Width (Pulsbreite=Dauer) auf ca. 50-80 ms.

Platziere zwei Elektrodenpatches nah beieinander in der Nähe des Ulnarnerves (unten in gelb hervorgehoben). Dieser Nerv läuft entlang der Rückseite deines Unterarms. Wir empfehlen die beiden Elektroden einfach direkt neben dem Ellbogen auf die Unterseite deines Unterarms zu pflastern. Selbstverständlich kannst du damit experimentieren wo du die Elektroden platzierst. Du wirst fast immer eine Reaktion sehen, egal an welchen Positionen entlang deines Unterarms du die Elektroden befestigst.

Verbinde die männlichen TENS Kabel Pins mit deiner Muscle SpikerShield Box. Wie du unten sehen kannst kommen die zwei Pins in das schwarze Element neben der HHI Beschriftung.

Taking Control

Das im HHI enthaltene TENS hat zwei Kanäle, aber wir werden nur einen benutzen. Merk′ dir auf welcher Seite du dein Kabel angeschlossen hast; du solltest das Kontrollrad der gleichen Seite benutzen, um die Stärke der Stimulation einzustellen. Je höher die Nummer desto stärker.
Lasst uns mit dem Experiment anfangen und dreht das Rad auf eine niedrige Einstellung während der Kontrollierende seinen Unterarm kontrahiert. Wenn die roten LEDs aufleuchten, wird unser Schaltkreis ein Signal an das TENS senden, damit es den Kontrollierten stimuliert. Allerdings wird bei einer geringen Einstellung wohl noch nichts zu merken und zu sehen sein.
Deswegen soll der Kontrollierende einfach weiter die LEDs zum Aufleuchten bringen während an dem Rad des TENS gedreht wird. Wir setzen das Rädchen normalerweise zwischen 3 und 5.
Genießt diese Verbundenheit! Der Kontrollierende steuert den Arm des Kontrollierten...zumindest bis jetzt!
Um das Experiment abzubauen, schalte zuerst das TENS aus (auf 0)! Dann entfernt die Alligatorclips und die Elektroden, oder ihr tauscht die Positionen!
Wichtig!!! Falls der Kontrollierende seine Elektroden abnimmt bevor der TENS ausgeschaltet wurde, oder bevor der Kontrollierte befreit wurde, wird das einen Kurzschluss hervorrufen und es wird eine durchgehende Stimulation vom TENS gesendet. Versucht das zu vermeiden.

Jetzt ist es an der Zeit den Wissenschaftler in dir zu entdecken. Experimentier′ mit den Platzierungen der Elektroden beider Probanden. Arbeitet immer mit Vorsicht, da wir Strom als Stimulation verwenden und manche Menschen sensibler darauf reagieren als andere! Ist auch eine Bein zu Bein Schnittstelle möglich? Lasst eurer Kreativität und eurem Entdeckungsdrang freien Lauf und ihr könnt gerne eure Erfahrungsberichte und Experimentvariationen an etienne@backyardbrains.com senden. Somit können wir gemeinsam Wissenschaft betreiben!

Oft gefragt!

Wir bekommen viele Fragen zu diesem Experiment und hier haben wir die zwei häufigsten schon einmal beantwortet (FAQ):

Kann man auch noch bessere Kontrolle bekommen, zum Beispiel über einen kompletten Arm? Dieses Experiment funktioniert so gut, da der Ulnarnerv direkt unter der Oberfläche deiner Haut am Ellbogen und Unterarm verläuft. Dadurch ist er relativ einfach zu stimulieren. Wenn man die Elektroden an unterschiedlichen Orten des Arms platziert stimuliert man meist eher Muskeln als Nerven. Wir könnten zwar viele Elektroden über den kompletten Arm verteilen, die Bewegungen würden aber ziemlich tollpatschig aussehen. Unterschiedliche Muskeltypen haben andere Stimulationsschwellenwerte. Ein sehr präzises Finetuning wäre nötig, um die Bewegungen flüssig aussehen zu lassen. Zusammengefasst: Nein, nicht mit dem HHI.

Könnte man eine andere Person auch mit seinen Hirnwellen (EEG) anstatt der Muskelpotentiale (EMG) steuern? Es gibt Studien, die dieses Experiment erfolgreich durchgeführt haben. Der Aufbau ist allerdings komplizierter und anfälliger für Fehler. Mit dem leicht zu messenden EMG kann man die Signale viel einfacher kontrollieren.
Gibt′s Probleme?

Falls dein Gerät nicht funktioniert, probier′ erstmal Folgendes:

Leuchten die LEDs nicht auf und/oder nur eine blinkt rot? Es kann sein, dass du aus Versehen deinen Arduino auf Werkseinstellung zurückgesetzt hast. Falls das passiert, lade den Code erneut hoch. Unten gibts die Anleitung und den Download.
Du schaffst es nicht alle LEDs zum Aufleuchten zu bringen? Probier mal 1) Verändere die Position der Elektroden 2) drücke auf den weißen Knopf und spiel' mit den unterschiedlichen Schwellenwertkonfigurationen 3) setz' den Schwellenwert niedriger im Code.

Downloads

Dein HHI Arduino kommt vorgeladen mit dem HHI code. Wenn du deinen Arduino für andere Projekte hernimmst, du "aus Versehen" auf den Reset Knopf gekommen bist; Oder: du willst einfach nur die Schwellenwerte ändern, dann solltest du den Code neu uploaden. Das kann man mit der Arduino Software machen. Falls du ein Arduino-Neuling sein solltest, ist das gar kein Problem, hier gibt′s ne gute Anleitung.

Und hier die Arduino Software

Ebenfalls online gibt es unsere Arduino(.ino) Human-Human Interface Datei. Diesen Code kannst du auch für das Klauenexperiment benutzen Download hier!

Human-Human-Interface und Claw/Klaue

Video

Das ist dir noch nicht genug?

Dieser Aufbau benutzt nur einen Kanal, aber du kannst die Muscle SpikerShields übereinander stapeln und bis zu drei analoge Eingangskanäle haben (unser TENS hat zwei Ausgangskanäle!). Wenn du zwei Ausgänge und drei Eingangskontrollsignale hast, kannst du damit ausgefeiltere Bewegungsabläufe kontrollieren?

Uns ist aufgefallen das manche Leute schon bei niedrigen Stimulationsstärken eine Reaktion zeigen und andere erst bei einer höheren. Welche Faktoren könntest du untersuchen um zu sehen was diese Antwort beeinflusst? Alter? Geschlecht? Fitness? Müdigkeit?

Welche anderen Bewegungen kann man mit dem HHI hervorrufen? Denk' an die vorherigen Warnungen über das Arbeiten mit einem TENS. Hier ein paar Vorschläge: 1) Der Mittelarmnerv (Nervus medianus) verläuft auch durch deinen Arm. 2) Der Patellarsehnenreflex (dein Bein bewegt sich wenn man mit der Handfläche/Smartphone/Spezialhammer unter der Kniescheibe mit einem leichten Schlag stimuliert) 3) Versuch einzelne Finger zu kontrollieren.

Die Stimulation der Muskeln mit dem TENS ist interessant, aber nicht annähernd so elegant wie richtige Bewegungen, die du willentlich steuerst. Warum ist das so? Wie könnte man die unterschiedlichen Bewegungen miteinander vergleichen? Welche Bewegung wird stärker sein? Die vom TENS verursachte oder die willentlich durchgeführte?

Was passiert wenn eine dritte Person die Kontraktion des Kontrollierenden hervorruft oder versucht zu unterbinden? Kannst du die Verbindung zur philosophischen Frage der Intention/Absicht erkennen?

Beim HHI handelt es sich um eine lustige Neuroprothesendemo für die Öffentlichkeit und das Klassenzimmer. Wie könnte man das Gerät nützlich im Krankenhaus unterbringen? Wir machen hier Späße darüber eine andere Person zu kontrollieren, aber was bräuchte es wahrhaftig, um die komplette Kontrolle über alle Bewegungen zu bekommen?