Smartes Sensor-Netzwerk und KI-Algorithmen entlasten gestresste Autofahrer

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Fraunhofer-Forschende haben ein System entwickelt, das die kognitive
Belastung beim Steuern eines Autos mithilfe von Sensoren und KI überwacht.
Wenn die Belastungsgrenze erreicht ist, kann die Technik zukünftig den
Menschen entlasten. Auch für andere Einsatzfelder, etwa für Piloten oder
im OP-Saal, ist das System geeignet. Für das Projekt nutzen die
Forschenden ein innovatives Sensor-Netzwerk – und ein PC-Spiel für
virtuelles Sushi-Zubereiten.

Autofahren erscheint so selbstverständlich, dass vielen kaum noch bewusst
ist, welche enormen Informationsmengen der Mensch am Steuer verarbeiten
muss. Das Display meldet Werte wie Geschwindigkeit, Drehzahl und
Tankfüllung, das Navi zeigt die Route an, Ampeln, Straßenschilder und
andere Verkehrsteilnehmer sind zu beachten. Hinzu kommen eventuell die
Unterhaltung mit dem Beifahrer oder die Nachrichten im Autoradio.
Gefährlich kann es werden, wenn der Fahrer die Grenze seiner kognitiven
Belastungsfähigkeit erreicht – und dann in einer kritischen
Verkehrssituation blitzschnell die richtige Entscheidung treffen muss.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in
Erlangen arbeiten an einem System, das Menschen bei komplexen Tätigkeiten
in unterschiedlichen Anwendungen oder Situationen unterstützt und dabei
ihre kognitive Belastungsgrenze berücksichtigt. Sie entwickeln hierfür
zwei Technologien: Ein Sensor-Netzwerk misst Biosignale wie Puls,
Atemfrequenz oder Bewegungen. KI-gesteuerte Algorithmen erkennen, wenn ein
Mensch die Grenze seiner individuellen kognitiven Belastungsfähigkeit
erreicht. Die Auswertung der Biosignale wurde mithilfe von Studien
entwickelt, in denen die Forschenden den Zusammenhang zwischen Biosignalen
und kognitiver Belastung bei Probandinnen und Probanden untersucht haben.
Im praktischen Einsatz kann das System dafür sorgen, dass die
Fahrzeugelektronik dem Fahrer oder der Fahrerin beispielsweise bestimmte
Aufgaben abnimmt und damit die Komplexität reduziert oder einfach eine
Pause an der nächsten Raststätte empfiehlt.

Mobiles und multimodales Sensor-Netzwerk

Um das Konzept zu realisieren, haben die Fraunhofer-Forschenden das
Sensor-Netzwerk »maphera®« entwickelt. »Wir haben eine Vielzahl
unterschiedlicher Sensoren in ein System integriert, das nicht nur im
Labor funktioniert, sondern mobil und damit in verschiedensten
Anwendungskontexten einsetzbar ist. Dementsprechend ist maphera® modular
aufgebaut. Je nach Anwendung oder Bedarf kombinieren wir ganz
unterschiedliche Sensoren miteinander«, erklärt Norman Pfeiffer,
Gruppenleiter Medizinische Sensorsysteme am Fraunhofer IIS. Die
Sensorsysteme lassen sich in Textilien oder auch beispielsweise in
Armbänder und sogenannte Smart Patches einbauen – intelligente, meist
hautaufklebbare Sensoren, die kontinuierlich Biosignale überwachen.
Übertragen werden die Daten via Bluetooth LE (Low Energy).

Was simpel klingt, birgt eine technische Herausforderung. Denn
verschiedene Sensoren sind auch mit Mikrocontrollern ausgestattet, die
jeweils Unterschiede in den Taktfrequenzen aufweisen. Bei einer
Kurzzeitmessung ist das kein Problem. Doch bei einer Nutzung während einer
Autofahrt oder im Bereich der Arbeitssicherheit laufen die Messungen oft
über mehrere Stunden. Hier addieren sich die zeitlichen Drifts, und die
Biosignale werden asynchron, das heißt, sie lassen sich nicht mehr
demselben Zeitpunkt zuordnen. Den Fraunhofer-Forschenden ist es gelungen,
die zeitlichen Drifts der Mikrocontroller beim Sammeln der Sensordaten
einzuberechnen. »Bei unserem System sind die Daten mit einer Toleranz von
nur 30 Mikrosekunden synchron«, sagt Pfeiffer. Daher auch der Projektname
maphera®. Das Wort kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet so viel wie
»gleichzeitig übertragen«.

Mit Computerspielen die kognitive Belastung testen

Der zweite Teil des umfangreichen Forschungsvorhabens konzentriert sich
auf den Zusammenhang zwischen Biosignalen und kognitiver Belastung. Die
Probandinnen und Probanden sitzen jeweils in einer Expositionskabine, in
der sie ungestört von äußeren Einflüssen wie Temperaturänderungen, Zugluft
oder Lärm sind.

Hier lösen sie Aufgaben mit steigendem Schwierigkeitsgrad. Dazu dürfen die
Versuchspersonen Computerspiele spielen. Als Koch oder Küchenkraft im
Sushi-Restaurant nehmen sie Bestellungen auf und stellen ein Sushi-Gericht
zusammen. Mit der Zeit steigen die Zahl der Bestellungen und die
Komplexität der bestellten Gerichte. Währenddessen registrieren Sensoren
die Biosignale des Körpers. Die so erfassten Daten werden gesammelt und
mit dem sogenannten n-back-Test kombiniert, ein Standardtest der
Psychologie, der kognitive Fähigkeiten wie Aufmerksamkeit und
Erinnerungsvermögen prüft. Im Anschluss an die Tests folgen individuelle
Interviews mit den Versuchspersonen.

Dr. Nadine Lang-Richter, Gruppenleiterin Medizinische Datenanalyse am
Fraunhofer IIS, sagt: »Im letzten Schritt führen wir alle Informationen
zusammen und analysieren diese mithilfe von KI-Algorithmen, die wir selbst
entwickelt haben. Damit erstellen wir ein individuelles kognitives
Belastungsprofil des Menschen.«

Driver-Monitoring-Systeme in Neuwagen

Solche Systeme könnten den Autofahrer oder die Autofahrerin mit Sensoren,
darunter auch Kameras, beobachten und beim Erreichen der kognitiven
Belastungsgrenze eingreifen. Automobilhersteller haben großes Interesse an
der Technik, denn im Rahmen einer EU-Verordnung (EU, 2019/2144 General
Safety Regulation) sind ab 2026 kamerabasierte Driver-Monitoring-Systeme
(DMS/Advanced Driver Distraction Warning) in Neuwagen vorgeschrieben.
Diese sollen prüfen, ob der Mensch am Steuer aufmerksam ist. Das gilt auch
für selbstfahrende Autos. Auch hier muss der Fahrer oder die Fahrerin
aufmerksam bleiben, um im Notfall schnell eingreifen zu können.

Ausbildung von Piloten

Weitere Einsatzgebiete für die Fraunhofer-Technologien sind im Flugverkehr
denkbar. Bei Piloten könnte das individuelle Belastungsprofil die
Ausbildung ergänzen und optimieren. In Zukunft wäre sogar ein Einsatz im
Operationssaal denkbar. Gerade langwierige Operationen, die über viele
Stunden Höchstleistung und Konzentration erfordern, könnten durch solche
Monitoringsysteme sicherer werden.

Die Forschenden des Fraunhofer IIS stellen maphera® und ihre Technologien
auf der Messe Medica 2025 (17. bis 20. November 2025, Halle 12, C31) in
Düsseldorf vor.