Mit Augmented Reality Spinnenangst bekämpfen

Veröffentlicht am von

Medienmitteilung der Universität Basel vom 20.09.2021

Forschende der Universität Basel haben eine Augmented-Reality-App für Smartphones entwickelt, um Angst vor Spinnen zu reduzieren. Die App hat sich in einer klinischen Studie bereits bewährt: Schon nach wenigen Trainingseinheiten zuhause empfanden die Probanden weniger Angst vor realen Spinnen.

Die Angst vor Spinnen gehört zu den häufigsten Phobien. Betroffene versuchen, Situationen mit Spinnen zu vermeiden und leben deshalb mit einer Vielzahl von Einschränkungen. Sie verzichten etwa auf soziale Anlässe in der Natur, Zoobesuche oder bestimmte Reiseziele; sie kontrollieren Räume exzessiv auf Spinnen, oder meiden bestimmte Räume wie Keller oder Estrich komplett. Eine wirksame Behandlung gegen Spinnenangst stellt beispielsweise die Expositionstherapie dar, bei der sich Betroffene therapeutisch angeleitet den gefürchteten Situationen aussetzen. Dabei wird die Angst schrittweise abgebaut. Diese Therapie wird jedoch selten in Anspruch genommen, weil Betroffene sich nur ungern echten Spinnen aussetzen.

Das interdisziplinäre Forschungsteam um Prof. Dr. Dominique de Quervain hat Abhilfe geschaffen und die Smartphone-basierte Augmented-Reality-App Phobys entwickelt. Im Fachmagazin «Journal of Anxiety Disorders» berichten die Forschenden von vielversprechenden Ergebnissen mit dieser App gegen Spinnenphobie.

Phobys basiert auf der Expositionstherapie und verwendet ein realistisches 3D-Spinnenmodell, welches in die reale Welt projiziert wird. «Für Menschen, die Angst vor Spinnen haben, ist es leichter, sich einer virtuellen Spinne auszusetzten als einer echten», erklärt Anja Zimmer, Erstautorin der Studie.

Wirksamkeit in Studie überprüft

Zimmer und ihre Kollegen untersuchten die Wirksamkeit von Phobys in einer klinischen Studie mit 66 Probanden. Die an Spinnenangst leidenden Studienteilnehmenden absolvierten während zwei Wochen entweder sechs halbstündige Trainingseinheiten mit Phobys oder bekamen als Kontrollgruppe keine Intervention angeboten. Vor und nach der Behandlung näherten sich die Studienteilnehmenden einer echten Spinne in einer durchsichtigen Box so weit, wie es ihre Spinnenangst zuliess. Die Gruppe, die mit Phobys trainiert hatte, zeigte deutlich weniger Angst und Ekel in der realen Spinnensituation und war in der Lage, näher an die Spinne zu gelangen als die Kontrollgruppe.

Die App Phobys bietet neun verschiedene Levels, um der virtuellen Spinne näher zu kommen und mit ihr zu interagieren. Mit jedem Level werden die Aufgaben intensiver und damit schwieriger. Jedes Level endet mit einer Bewertung der eigenen Angst und des Ekels, und die App entscheidet, ob das Level wiederholt werden sollte oder zum nächsten fortgeschritten werden kann. Die App verwendet zudem spielerische Elemente, wie belohnende Feedbacks, Animationen und Soundeffekte, um die Motivation hoch zu halten.

Phobys gibt’s in den App Stores

Mithilfe der GeneGuide AG (Division MindGuide), einem Spin-off-Unternehmen der Universität Basel, wurde die App weiterentwickelt und ist nun in den App Stores für iPhones und Android-Smartphones erhältlich. Betroffene mit leichten Formen der Spinnenangst können die App in Eigenregie benutzen. Bei Menschen mit einer ausgeprägten Spinnenangst empfehlen die Forschenden die Nutzung der App nur in Begleitung einer Fachperson. Ob man Angst vor einer virtuellen Spinne hat, kann in der App gratis getestet werden. Das Training zur Reduktion der Spinnenangst ist in der App erwerbbar.

Die aktuelle Studie gehört zu einer Reihe von Projekten der Transfakultären Forschungsplattform Molecular and Cognitive Neurosciences, welche von Prof. Dr. Andreas Papassotiropoulos und Prof. Dr. Dominique de Quervain geleitet wird, die das Ziel verfolgen, die Behandlung von psychischen Störungen durch den Einsatz neuer Technologien zu verbessern und diese breit verfügbar zu machen.

Originalpublikation:
Anja Zimmer, Nan Wang, Merle K Ibach, Bernhard Fehlmann, Nathalie S Schicktanz, Dorothée Bentz, Tanja Michael, Andreas Papassotiropoulos, Dominique JF de Quervain
Effectiveness of a smartphone-based, augmented reality exposure app to reduce fear of spiders in real-life: A randomized controlled trial
Journal of Anxiety Disorders (2021)

Externer Link: www.unibas.ch

Mit niedriger elektrischer Spannung gegen Corona-Viren

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 14.09.2021

Um Corona-Viren unschädlich zu machen, wird bisher hauptsächlich an biochemischen Verfahren gearbeitet. Ein Forschungsteam der Universität Kassel konnte in einem physikalischen Modell beweisen, dass elektrische Felder das spezifische Spike-Protein der Viren inaktivieren. Nun sollen die Erkenntnisse in die Praxis umgesetzt und Verfahren entwickelt werden, die zum Beispiel in Luftfilteranlagen Anwendung finden.

Für das Corona-Virus ist das sogenannte Spike-Protein auf seiner Außenhülle essentiell, damit es eine Zelle befallen kann. Denn dieses Protein bindet spezifisch an einen Rezeptor namens ACE2 auf der Oberfläche menschlicher Zellen. Das Virus kann dann mit der Zellmembran verschmelzen, sein Erbgut ins Zellinnere entlassen und sich weiter vermehren. Deshalb ist das Spike-Protein Angriffspunkt für Therapien und Impfungen. Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Martin Garcia der Universität Kassel hat einen neuen Ansatz für eine rein physikalische Methode entwickelt, um das Virus unschädlich zu machen. „Unsere Computersimulationen zeigen, dass das Spike-Protein sehr anfällig für elektrische Felder moderater Stärke ist, die mit Hilfe einer einfachen Batterie erzeugt werden können. Dabei ist es sogar mehr als tausend Mal empfindlicher als andere Proteine“, erläutert Prof. Garcia.

Die Theorie: Strukturveränderungen durch elektrische Impulse

Denn die Bindung zwischen dem Spike-Protein und dem ACE2-Rezeptor ist sehr spezifisch und abhängig von der detaillierten Struktur der beiden Proteine. Ein kleiner Teil des Spike-Proteins, die Rezeptor-Bindungs-Domäne, passt zum ACE-Rezeptor wie ein Schlüssel zum Schloss. „Moderate bis schwache elektrische Impulse zwingen das Spike-Protein dazu, seine Struktur auf atomarer Ebene zu ändern, und das dauerhaft. Dann kann die Rezeptor-Bindungs-Domäne nicht mehr an den ACE2-Rezeptor der menschlichen Zelle andocken“, beschreibt Prof. Garcia. In Computersimulationen konnte diese Veränderung nicht nur für den Wildtyp des Virus vorhergesagt werden, sondern auch für ansteckendere Varianten wie Alpha (B.1.1.7), Beta (B.1.351) und die Gamma-Variante P.1. „Überraschenderweise macht die Strukturänderung des Spike-Proteins durch die Mutation das Virus zwar ansteckender, aber gleichzeitig erhöht sich dadurch seine Verwundbarkeit durch elektrische Felder“, berichtet Prof. Garcia. Bereits elektrische Felder der Stärke 0.0001 Volt/Nanometer verursachen strukturelle Schäden am Protein. Andere Proteine, auch die von gesunden Zellen, werden dadurch nicht geschädigt, da sie erst auf viel höhere Feldstärken mit Strukturänderungen reagieren.

Von der Theorie in die Praxis

Die im Modell beschriebene Inaktivierung von Corona-Viren mithilfe von elektrischen Feldern könnte auch in der Praxis als rein physikalische Methode zur Inaktivierung der Viren Anwendung finden. So könnte sie in Zukunft zum Beispiel eine neue Klasse von Luftfilteranlagen ermöglichen. Hierfür kann die bestehende Infrastruktur der Luftfilteranlagen genutzt werden. Die sogenannten HEPA-Filter müssten lediglich durch eine mikrostrukturierte, an Niederspannung angeschlossene Anordnung von Elektroden ersetzt werden, die die Corona-Viren inaktivieren. Die gefilterte Luft enthält dann nur noch unschädliche Viren und kann wieder in den Raum zugeführt werden. Vorteile gegenüber herkömmlichen HEPA-Filtern wären u.a. ein geringerer Energieverbrauch und eine viel längere Nutzungsdauer. Die Universität Kassel hat bereits ein Patent für eine technologische Anwendung ihrer theoretisch entwickelten Methode angemeldet.

Diese Arbeit der Arbeitsgruppe von Prof. Garcia wurde teilweise von der Universität Kassel durch das Projekt PhosMOrg finanziert.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Einzelne Atome verankern

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der TU Wien vom 31.08.2021

Wie lassen sich Einzelatome für die Katalyse verwenden? Forschende aus Wien entwickeln eine neue Methode, um Einzelatome auf Trägermaterialien zu verankern.

Oft heißt es „never change a running system“. Dabei können neue Methoden den alten weit überlegen sein. Während chemische Reaktionen bislang vor allem mit größeren Materialmengen, bestehend aus mehreren hundert Atomen, beschleunigt werden, liefern Einzelatome einen neuen Ansatz für die Katalyse.

Ein internationales Forschungsteam fand nun unter Führung der TU Wien eine Möglichkeit, einzelne Atome kontrolliert und stabil auf einer Oberfläche zu verankern. Dies ist ein wichtiger Schritt zur Katalyse mit Einzelatomen. Die neue Methode präsentierten die Forschenden um Bernhard C. Bayer in der Fachzeitschrift ACS Nano.

Einzelatome lösen Nanopartikel ab

Moderne Katalysatoren bestehen bereits aus Nanopartikeln und sind somit sehr klein. Betrachtete man ihre Größe jedoch auf atomarer Skala, sind sie mit mehreren hundert Atomen weit größer als Katalysatoren, die aus nur einem Einzelatom bestehen. Gelingt es, chemische Reaktionen mit weit kleineren als den bislang eingesetzten Materialmengen zu beschleunigen, eröffnet dies gänzlich neue Möglichkeiten. Denn die Katalyse mit Einzelatomen ist nicht nur nachhaltiger und energieeffizienter, sie ist auch selektiver und erzielt eine bessere Ausbeute.

Bei der neu entwickelten Methode dienen Siliziumatome als „Anker“ für metallische Einzelatome. Siliziumatome selbst kommen oft als Verunreinigung im Trägermaterial aus Kohlenstoff vor. An das Silizium werden Indiumatome gebunden, die als Katalysator fungieren können. „Die Indiumatome binden gezielt an die Silizium-Anker im Kohlenstoff-Kristallgitter“, sagt Bernhard C. Bayer vom Institut für Materialchemie an der TU Wien. „Damit verbleiben die Indium-Einzelatome stabil an ihren Plätzen und verklumpen nicht“, fährt der Leiter der Forschungsarbeiten fort. „Was die neue Technologie besonders spannend macht, ist, dass die Verankerung der Indiumatome durch die Siliziumatomen im Kohlenstoff selbstständig passiert, wenn die Reaktionsbedingungen stimmen. Dies macht den Prozess potenziell skalierbar“, ergänzt Kenan Elibol von der Universität Wien und dem Trinity College Dublin sowie Erstautor der Studie.

Das Verfahren bringt aber auch Herausforderforderungen mit sich, denen das Forschungsteam erfolgreich begegnete. Besonders das Aufbringen von Einzelatomen auf festen Trägeroberflächen gestaltet sich schwierig. Der Grund: Einzelne Atome entfernen sich schnell von ihren Plätzen und fügen sich zu größeren Partikeln zusammen. Atomar feines Indium zum Beispiel verklumpt sich normalerweise auf Kohlenstoffoberflächen schnell zu großen Nanopartikeln – die Vorteile der Einzelatom-Katalyse werden folglich aufgehoben.

Weitere Testungen folgen

Mit einem hochauflösenden Elektronenmikroskop an der Universität Wien konnte das Forschungsteam die Herstellungsmechanismen der Silizium-verankerten Indium-Einzelatome schließlich beobachten. „Wir konnten damit nachweisen, wie die Verankerung der Indiumatome davon abhängt, wie die Silizium-Anker im Kohlenstoff-Kristallgitter eingebaut sind“, sagt Toma Susi von der Universität Wien, der die Anker-Strukturen mittels modernster Computermethoden weiter entschlüsseln konnte. „Solch kontrollierte und bei Raumtemperatur stabile Verankerung von Einzelatomen auf festen Oberflächen wurde noch nicht in diesem Detail berichtet und eröffnet spannende Perspektiven für katalytische Anwendungen im Bereich Energie und Umwelt“, ergänzt Dominik Eder von der TU Wien und Experte für Katalyse.

Damit die Methode der Wiener Forschenden auch industriell eingesetzt werden kann, folgen weitere Experimente: „Die mit der neuen Methode platzierten Einzelatome sollen nun ausführlich als Katalysatoren für verschiedene chemische Reaktionen getestet werden“, so Bernhard C. Bayer.

Die beschriebene Forschung wurde unter anderem durch die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unter Projekt 860382-VISION und vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union (756277-ATMEN) gefördert. (Sarah Link)

Originalpublikation:
K. Elibol et al., Single Indium Atoms and Few-Atom Indium Clusters Anchored onto Graphene via Silicon Heteroatoms, ACS Nano, 2021

Externer Link: www.tuwien.at

Aktivitätserkennung im Fahrzeuginnenraum

Veröffentlicht am von

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.09.2021

Ist der Autofahrer müde oder schläft er gar? Kameras im Innenraum überprüfen dies bereits. Wichtig und vom Gesetzgeber vorgeschrieben werden Innenraumkameras insbesondere beim automatisierten Fahren. Ein neues System des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB leitet aus den Bilddaten erstmals Aussagen zu den Aktivitäten des Fahrers ab und analysiert, wie schnell dieser die Steuerung übernehmen könnte.

Beim automatisierten Fahren entscheidet das Fahrzeug, was es tun muss – es lenkt, bremst und beschleunigt. Bis es jedoch so weit ist, dass Fahrzeuge gänzlich auf einen Fahrer verzichten können, werden teilautomatisierte Fahrzeuge den Wagenlenker unterstützen und ihm zunehmend mehr Freiheiten verleihen. Naturgemäß sind bei teilautomatisierten Fahrzeugen Übergaben zwischen Auto und Fahrer nötig, etwa bei einer Baustelle auf der Autobahn oder beim Übergang in den Stadtverkehr nach einer Autobahnfahrt. Das Fahrzeug muss also nicht nur intelligent werden, um den Verkehr zu interpretieren, sondern auch nach innen schauen und mit dem Fahrer in den Dialog treten. Was macht der Fahrer gerade? Wie schnell könnte er die Steuerung des Fahrzeugs übernehmen? Zwar gibt es bereits Fahrerbeobachtungssysteme, diese nutzen jedoch bisher kaum Kamerabilddaten und beschränken sich vorwiegend auf die Erkennung von Müdigkeit.

Künstliche Intelligenz erkennt, was der Fahrer tut

Dem Dialog zwischen Fahrer und Auto widmen sich die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IOSB – und füllen damit diese Lücke. »Mit unserer Technologie erkennen wir nicht nur das Gesicht, sondern vielmehr die aktuellen Posen des Fahrers und der Mitfahrer«, sagt Dr. Michael Voit, Gruppenleiter am Fraunhofer IOSB. »Aus diesen Posen wiederum können wir zuverlässig bestimmen, womit sich Fahrer und Insassen gerade beschäftigen.«

Der Kern der Entwicklung liegt in Algorithmen und Verfahren des maschinellen Lernens, also der Künstlichen Intelligenz. Die Algorithmen analysieren die Kameradaten in Echtzeit und finden heraus, ob der Fahrer telefoniert, mit den Kindern spielt oder auf das Handy des Mitfahrers schaut. Die Technologie des Fraunhofer IOSB geht damit über die reine Bilderkennung hinaus und interpretiert Aktivitäten im Kontext. Die Forscherinnen und Forscher haben das System zunächst angelernt, indem sie zahlreiche Kameraaufnahmen per Hand annotierten: Wo befinden sich Hände, Füße, Schultern der Personen, wo sind Objekte wie Smartphones, Bücher und Co. zu erkennen? Anschließend evaluierten sie die Algorithmen mit neuen Bildern und korrigierten oder verifizierten deren Ergebnisse.

Aufnahmen des Fahrers oder der Insassen abstrahiert das System zu einem digitalen Skelett – einer Art Strichmännchen, das die Körperpose der Person nachbildet. Aus der Skelettbewegung und einer ergänzenden Objekterkennung wiederum schließt es auf die Aktivität. »Die Algorithmen wissen also, ob jemand schläft oder auf die Straße blickt, wie abgelenkt die Person ist und wie lange es dauert, bis die volle Aufmerksamkeit wieder auf den Verkehr gerichtet werden kann«, erläutert Voit. Hierfür werden sowohl klassische Videokameras unterstützt als auch Infrarotkameras, die im Dunkeln sehen können, sowie 3D-Kameras, die die Entfernung der Objekte zur Kamera messen. Auch bei der Platzierung der Kameras lässt das System den Innenraumdesignern Freiheit.

Fragen rund um die Aktivitätserkennung im Fahrzeuginnenraum bearbeiten die Forscherinnen und Forscher in zahlreichen Verbundprojekten mit namhaften Autoherstellern wie Audi und Volkswagen, aber auch Zulieferern wie Bosch und Continental. Die Projekte werden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF, das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi oder das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur BMVI unterstützt. »Wir erkennen nicht nur die Aktivitäten des Fahrers, sondern aller Insassen im gesamten Fahrzeuginnenraum«, bekräftigt Voit. »Die Technologie ist bereit für die Vorserie. Wir stehen schon im ersten Kontakt mit Unternehmen, die unsere Technologie nutzen wollen.« Bindeglied der Entwicklungen ist der institutseigene Fahrsimulator, von dem Industriekunden auch im Rahmen individueller F&E-Projekte profitieren können. Dank simulierbarer Verkehrssituationen bietet er die Grundlage für das Sammeln relevanter Fahrt- und Verhaltensdaten und ermöglicht mit seiner umfangreichen Sensorausstattung Studien für alle Insassen.

Für Datenschutz ist gesorgt

Was Datenschutz- und Sicherheitsaspekte angeht, so denken die Forscherinnen und Forscher diese von Anfang an mit. »Die Kameradaten werden in Echtzeit ausgewertet, nicht gespeichert und verlassen zu keinem Zeitpunkt das Fahrzeug. Personalisierte Modelle werden dafür ebenso wenig benötigt – somit werden keine personenbezogenen Daten gesammelt«, sagt Dr. Pascal Birnstill, Senior Scientist, zu den Themen Datensicherheit, Datenschutz und Transparenz am Fraunhofer IOSB. Die Technologie respektiert also von vornherein die Privatsphäre und entspricht damit den strengen Regularien und dem hohen Datenschutzbewusstsein in der EU.

Zahlreiche Anwendungen – auch jenseits der Aktivitätserkennung

Wie wichtig Aktivitätserkennungen sind, zeigt eine Verordnung der EU: Das »Driver Monitoring« soll bei der Automatisierung des Autos verpflichtend werden. Mit der Technologie aus dem Fraunhofer IOSB können Fahrzeughersteller nicht nur diese Richtlinie erfüllen, sondern zudem zahlreiche Visionen in puncto autonomes Fahren Realität werden lassen. Ein Beispiel: Spracherkennung stößt bei der Kommunikation von Mensch und Auto schnell an ihre Grenzen. So ist der Befehl »Park dort ein« für sich genommen nicht aussagekräftig. Über die Körperposen- und Aktivitätserkennung weiß das System jedoch, auf welche Parklücke der Nutzer in dem Moment zeigt. Auch bei Sicherheitsaspekten von fahrerlosen Fahrzeugen kann das System helfen: Während derzeit die Fahrenden noch darauf achten, dass alle Mitfahrer die Sicherheitsregeln einhalten und sich beispielsweise anschnallen, wird dies künftig das fahrerlose Fahrzeug übernehmen müssen – etwa bei autonom fahrenden Taxis oder Bussen. Auch hier ist eine zuverlässige Innenraumüberwachung unverzichtbar.

Externer Link: www.fraunhofer.de