Wie Greifen im Gehirn entsteht

Für ihre Bewerbung um den KlarText-Preis hat Vivian Paulun in ihrem neurowissenschaftlichen Beitrag erklärt, was sie in ihrer Doktorarbeit erforscht hat:

Holz, Glas, Wolle, Papier, Plastik, Metall – jeder Gegenstand in unserer Umgebung besteht aus mindestens einem Material. Es bestimmt, wie schwer, glatt, weich oder zerbrechlich ein Objekt ist. Damit wir uns nicht durch die Welt bewegen wie der sprichwörtliche Elefant im Porzellanladen, muss das Gehirn solche Eigenschaften auf den ersten Blick erkennen und unsere Bewegungen entsprechend anpassen. Was kein moderner Roboter kann, schafft der Mensch scheinbar automatisch, aber wie?

Stellen Sie sich vor, Sie säßen mit geschlossenen Augen an einem Tisch. Jemand platziert einen unbekannten Gegenstand vor Ihnen, den sie hochheben sollen, ohne dabei die Augen zu öffnen. Wie gehen Sie vor? Vermutlich würden sie sich langsam voran tasten und den Gegenstand zunächst befühlen, um zu erfahren, um was es sich handelt und auf welche Art und Weise Sie ihn greifen können. Müssen Sie kräftig zugreifen, damit der Gegenstand nicht aus der Hand rutscht? Oder würde er dabei sofort zerbrechen? Um dies zu verhindern, ist es nötig, die Eigenschaften eines Gegenstands noch vor jeder Berührung zu erkennen. Dabei spielt das Material eine zentrale Rolle. Ein Glas ist hart, zerbrechlich und glatt, ein Seidenschal ist zwar glatt, aber weich und faltbar, eine gusseiserne Pfanne ist weder zerbrechlich noch faltbar, dafür aber stabil und schwer (und unter Umständen auch heiß), das Fruchtfleisch einer Himbeere dagegen ist nachgiebig und wird leicht zerdrückt.

Credit: Lina Klein | Eine Himbeere stellt eine Herausforderung für das Gehirn dar: Greift man sie zu fest, wird sie zerdrückt, wendet man dagegen zu wenig Kraft an, fällt sie aus der Hand. Dass wir von diesen Schwierigkeiten im Alltag nichts merken, ist eine erstaunliche Leistung des Gehirns.

 

 

 

Wir nehmen jeden Tag hunderte verschiedener Gegenstände in die Hand – in der Regel, ohne dass diese dabei Schaden nehmen. Anders als im obigen Gedankenexperiment können wir im Alltag die Objekte für gewöhnlich sehen, bevor wir sie berühren. Das bloße Betrachten eines Gegenstandes reicht meist aus, um viele seiner Eigenschaften einzuschätzen. So trivial es klingt, so erstaunlich ist dies. Das Gehirn muss viele Verarbeitungsschritte leisten, um vom Bild auf der Netzhaut im Auge auf die mechanischen Eigenschaften von Objekten zu schließen –  und darauf die Muskeln bestimmte Bewegungen ausführen zu lassen.

Vorwissen bestimmt Verhalten

Die scheinbare Leichtigkeit, mit der wir diese Aufgaben meistern, täuscht über ihre tatsächliche Komplexität hinweg. Wie können wir sehen, wie schwer, weich oder zerbrechlich ein Gegenstand ist, ohne ihn zu berühren? Anders ausgedrückt: Wie können wir Eigenschaften sehen, die man eigentlich besser erfühlen kann? Und wie können diese Sinneseindrücke vom Gehirn genutzt werden, um Bewegungen anzupassen, etwa wenn wir ein besonders zerbrechliches Objekt greifen möchten?

In meiner Doktorarbeit versuchte ich, diese Fragen mit Hilfe von Verhaltensexperimenten zu beantworten. Psychologen und Neurowissenschaftler untersuchen auf diese Weise Denk- und Wahrnehmungsprozesse, die im Gehirn ablaufen und daher nicht direkt beobachtet werden können. Die Steifigkeit von elastischen Gegenständen visuell zu erkennen, ist ein solcher Prozess. Steifigkeit ist eine mechanische Eigenschaft, die bestimmt, ob ein Gegenstand weich ist und sich leicht eindrücken lässt (wie Schaumstoff) oder hart und widerstandsfähig ist (wie ein Stein). Es ist wichtig, diese Eigenschaft zu kennen, um beispielsweise die Kraft anzupassen, mit der man einen Gegenstand hebt. Wenn Menschen Gegenstände rein visuell beurteilen, etwa auf Bildern, verlassen sie sich beim Einschätzen der Steifigkeit auf ihr Vorwissen über die unterschiedlichen Materialklassen beispielsweise Metall, Gummi, Plüsch oder Holz.

Das Gehirn greift in diesem Fall auf erlernte Zusammenhänge zwischen bestimmten Materialien und deren Eigenschaften zurück. Es schließt aus dem äußeren Erscheinungsbild des Objekts, beispielsweise marmorierte Textur, auf die Art des Materials, beispielsweise Stein, und daraus wiederum auf dessen Eigenschaften, beispielsweise hart. Ein weiteres beobachtbares Merkmal für die Steifigkeit eines Objektes ist dessen Verhalten: Je weicher ein Objekt ist, desto leichter wird es eingedrückt, verbogen, in Schwingungen versetzt oder anderweitig verformt. Diese Verformungen spielen bei der Wahrnehmung von Steifigkeit eine wichtige Rolle.

Wie aber wird die Weichheit beurteilt, wenn das Aussehen eines Gegenstandes und dessen Verhalten im Widerspruch zueinanderstehen, wenn beispielsweise ein Stein hin- und herschwingt wie Wackelpudding auf einem Löffel? Am Computer ist es möglich, Gegenstände zu erschaffen, die sich weich verhalten, also beispielsweise hin- und herschwingen, aber aussehen als bestünden sie aus hartem Material (wie Stein, Metall oder Holz) oder umgekehrt.

Meine Untersuchung zeigte, dass für die visuelle Wahrnehmung von Steifigkeit die Verformung des Gegenstandes entscheidend ist. Das Gehirn scheint bei der Beurteilung des Materials einer einfachen Daumenregel zu folgen: Je stärker sich ein Gegenstand verformt, desto weicher sieht er aus. Verformung ist ein so starkes Schlüsselmerkmal, dass es in jedem Fall überwiegt: Sogar ein Stein erscheint weich, wenn er sich nur genügend verformt. Ein berühmtes Beispiel hierfür sind die weichen Uhren auf den Gemälden von Salvador Dalí.

Das Gehirn verfügt also über mindestens zwei Mechanismen, um die Steifigkeit von Objekten rein visuell einzuschätzen. Es greift auf erlernte Zusammenhänge zwischen Materialien und ihren Eigenschaften zurück, sofern das Material bekannt ist, und keine weiteren Informationen zur Verfügung stehen. Wird ein Gegenstand hingegen sichtbar verformt, ist diese Verformung ein noch stärkerer Hinweis auf die Weichheit. Mit Hilfe dieses Schlüsselmerkmals lassen sich auch neue und unbekannte Objekte einschätzen. Zwei verschiedene Mechanismen ermöglichen somit Flexibilität in unterschiedlichen Situationen. Beide können zwar auch zu einer falschen Einschätzung führen, liefern aber meist eine gute Annäherung. Auch zur Beurteilung von anderen Materialeigenschaften, etwa Zerbrechlichkeit oder Elastizität, nutzt das Gehirn vermutlich Vorwissen und spezifische Schlüsselmerkmale.

Gewicht und Oberflächenreibung

Unser Gehirn schätzt Materialeigenschaften in der Regel ein, um eine Aufgabe zu erfüllen, etwa um einen Gegenstand sicher zu fassen. Was aber macht einen Griff sicher? Wie muss eine Greifbewegung verändert werden, um unterschiedlichen Materialeigenschaften gerecht zu werden? Zwei wichtige Eigenschaften sind das Gewicht des Gegenstandes und seine Oberflächenreibung. Das Gewicht entscheidet, wie viel Kraft erforderlich ist, um das Objekt hochzuheben. Seine Oberflächenreibung bestimmt, ob das Objekt griffig ist oder leicht aus der Hand rutscht. In weiteren Studien untersuchte ich, welche Strategien Menschen anwenden, um unterschiedlich schwere und griffige Gegenstände zu greifen.

Die Studienteilnehmer griffen dafür mit Daumen und Zeigefinger unter kontrollierten Bedingungen nach unterschiedlichen Materialien (beispielsweise Styropor, Holz, Messing), wobei ein Infrarotkamerasystem die Fingerbewegungen aufzeichnete. Der gesamte Bewegungsablauf dauerte umso länger, je schwerer und rutschiger der Gegenstand war. Außerdem näherten sich die Versuchspersonen schwierig zu greifenden Gegenständen langsamer. Das Gehirn scheint also nicht erst bei Kontakt mit dem Objekt mehr Sorgfalt walten zu lassen, sondern bereits im Voraus mehr Zeit für die Planung der Bewegung aufzuwenden. In diesen Fällen ist die Bewegung auch präziser: Die Objekte werden nahe an ihrem Schwerpunkt gegriffen. Dadurch muss weniger Kraft aufgewendet werden, als wenn das Objekt weiter entfernt vom Schwerpunkt gegriffen wird. Der Griff wird sicherer und der Gegenstand rutscht nicht so leicht aus der Hand.

Credit: Vivian Paulun | Wenn wir einen Gegenstand sehen, bekommen wir unverzüglich einen Eindruck davon, wie er sich anfühlt: Eine Himbeere ist weich und empfindlich, eine Chromkugel dagegen ist hart und schwer, Moos ist nachgiebig, Glas zerbrechlich und Schokolade beginnt in der Hand zu schmelzen.

Je leichter und griffiger ein Objekt ist, desto geringfügiger verschlechtert sich die Sicherheit eines Griffs durch eine ungünstige Griffposition. Tatsächlich konnte ich beobachten, dass solche Objekte schneller und weniger genau gegriffen werden. Die Anpassungsstrategien des Gehirns sind somit ökonomisch: Menschen erhöhen die Griffpräzision nur, wenn es wirklich notwendig ist und wählen eine bequemere Variante, falls dies kein nennenswertes Risiko birgt, das Objekt fallen oder zerbrechen zu lassen. Weil diese Strategien so erfolgreich sind, bemerken wir sie im Alltag nur selten. Mühelos und scheinbar automatisch interagieren wir mit Gegenständen verschiedenster Eigenschaften in unserer Umwelt. Unsere bewussten Ressourcen bleiben dabei frei für andere Prozesse, etwa für das Denken, Lernen und Erinnern.

Selbst einer vermeintlich simplen Aufgabe wie dem Greifen von Objekten aus verschiedenen Materialien liegen bemerkenswert komplexe Prozesse im Gehirn zugrunde. Deren Untersuchung trägt nicht nur zum tieferen Verständnis der Arbeitsweisen unseres Nervensystems bei, sondern ist potentiell für die Weiterentwicklung von Prothesen und Robotern nützlich, die wie Menschen in der Lage sein sollen, vielfältige Objekte des Alltags greifen zu können. Im Gegensatz zu Menschen haben selbst moderne Roboter noch keine Möglichkeit, visuell zu erkennen, welche Eigenschaften ein Gegenstand hat und können ihren Griff gegebenenfalls nur sehr langsam oder unzureichend daran anpassen. Wie in unserem anfänglichen Gedankenexperiment sitzen sie gewissermaßen mit verschlossenen Augen vor unbekannten Objekten.

Vivian Paulun wurde 1988 in Frankfurt am Main geboren. Von 2007 bis 2012 studierte sie Psychologie an der Universität Gießen. Anschließend forschte sie am Brain and Mind Institute der University of Western Ontario in Kanada und in der Abteilung für experimentelle Psychologie der Universität Gießen, wo sie 2016 ihre Dissertation mit dem Titel “Material Perception for Action” abschloss. Derzeit untersucht sie als Postdoktorandin an der Universität Gießen wie Menschen und Maschinen physikalische Objekteigenschaften erkennen und repräsentieren.

1 Kommentar Schreibe einen Kommentar

  1. Interessant an der Erforschung des menschlichen Greifprozesses finde ich, dass man etwas, was jeder/jede jeden Tag tut, erforscht werden muss. Doch es passt sehr gut dazu, dass wir mehr über das Innere eines Atoms wissen als über den Menschen und was in ihm vorgeht. Allerdings wissen wir es nicht (nur) darum nicht, weil sich zuwenig dafür interessieren, sondern auch darum, weil fast alles was Menschen machen sehr viele Automatismen beinhaltet. Menschen bilden sich zwar etwas darauf ein, ein Bewusstsein zu haben und bewusst zu leben. Doch dieses bewusste Erfahren ist auf einen ganz kleinen Bereich der menschlichen Aktivitäten beschränkt und schaut mehr auf das Ergebnis des Handelns und das Erlebnis das damit verbunden ist als darauf, wie konkrete Handlungen genau ablaufen und funktionieren.

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