Vibrotaktile Codierung von Standardfunktionen einer Menüführung

Tactons sind Vibrationsmuster, die es ermöglichen, über den haptischen Sinneskanal Informationen zu übermitteln. Dies ist durch die Modifikation der einzelnen Parameter von Vibrationen (Frequenz, Amplitude, Dauer, Rhythmus etc.) möglich. Sie sind nützlich, wenn andere Sinneskanäle bereits beansprucht werden oder aufgrund der Umgebungsbedingungen nicht zur Verfügung stehen (Freeman et al. 2017; Brewster und Brown 2004), beispielsweise aufgrund von Blickabwendung oder lauten Umgebungsgeräuschen. Tactons können dabei verschiedene abstrakte Bedeutungen wie Befehle, Zustände oder Warnungen darstellen, sofern die Benutzer geschult sind, sie zu erkennen und korrekt zu interpretieren (Luzhnica und Veas 2019). Nach wie vor ist grundlegende Forschung nötig, um zu verstehen, wie solche Tactons am besten zu gestalten sind (Barber und Beck 2015). Bereits bekannt ist, dass einzelne Parameter besser geeignet sind, um Informationen zu codieren als andere. So lieferten beispielsweise die Parameter Rhythmus und Rauheit – ein Parameter, der generiert wird, wenn eine Sinusschwingung mit einer zweiten, unterschiedlichen Sinusschwingung moduliert wird (Brown et al. 2005) – vielversprechende Ergebnisse (Brown et al. 2005, 2006; Constantin und Brewster 2010), und auch die Frequenz ist geeignet, wohingegen die Kurvenform weniger geeignet scheint (Stein et al. 2017). Zudem wurden bereits Untersuchungen angestellt, die aufzeigen, welche Parameter ähnlich bzw. unterschiedlich wahrgenommen werden (z. B. Jones und Singhal 2018), und wie sich einzelne Parameter auf die wahrgenommene Ausprägung von Daten beziehen, die in realen Kontexten genutzt werden können, beispielsweise Distanz, Fehler und Gefahr (Ferguson et al. 2018).

Bei der Realisierung gilt es außerdem, die Wahrnehmungsschwellen des Menschen zu berücksichtigen. Die absolute vibrotaktile Wahrnehmungsschwelle des Menschen beschreibt die geringste Intensität eines Reizes, die eine gerade noch wahrnehmbare Empfindung auslöst, wohingegen die Unterschiedsschwelle charakterisiert ist als die kleinste Änderung der Reizstärke, die gerade noch als Veränderung der Intensität empfunden wird (Behrends et al. 2012). Die Unterschiedsschwelle ist dabei abhängig von der Intensität des Ausgangsreizes (Weber-Fechner-Gesetz).

Tactons wurden bereits in verschiedenen Untersuchungen erfolgreich eingesetzt, beispielsweise um die Beendigung eines Downloads zu signalisieren (Brewster und King 2005), Art und Dringlichkeit einer eingehenden Nachricht zu codieren (Brown et al. 2005), über Art, Wichtigkeit und verbleibende Zeit bis zu einem anstehenden Termin zu informieren (Brown et al. 2006) oder Informationen über die Geschehnisse in der Umgebung bereitzustellen (Constantin und Brewster 2010). Die Ergebnisse dieser Studien zeigen, dass Tactons durchaus genutzt werden können, um Informationen über den haptischen Sinneskanal zu transportieren, und dabei gute Ergebnisse erzielt werden können. Bei der Nutzung von räumlich-zeitlichen Vibrationsmustern zur Codierung aller 26 Buchstaben des Alphabets konnten Luzhnica et al. (2016) nach mehreren Stunden Training Erkennungsraten von 90 % und mehr erzielen. Ebenso gute Ergebnisse wurden in einem zweiten Experiment mit 10 Buchstaben erreicht, in dem parallel eine weitere Aufgabe zur Ablenkung erfüllt werden musste (Luzhnica und Veas 2019).

Um dieses Potenzial im alltäglichen Leben nutzen zu können, ist eine Standardisierung sinnvoll. Gerade bei der Interaktion mit Touchscreens, bei der eine haptische Rückmeldung fehlt, da mechanische Tasten durch eine glatte, feste Oberfläche ersetzt wurden, scheinen Tactons eine vielversprechende Kompensationsmöglichkeit zu sein (MacLean et al. 2017). Vor allem für häufig vorkommende Funktionen auf verschiedenen Geräten wie beispielsweise Automaten, Computern und mobilen Endgeräten wie Smartphone und Tablet-PC, ist ein standardisiertes Tacton-Set sinnvoll, da die Bedeutung der einzelnen Tactons dann nicht immer wieder neu erlernt werden muss, sondern nach einiger Zeit von den Nutzern verinnerlicht sein wird. Tactons können hierbei einen erheblichen Vorteil bieten, wenn diese dem Nutzer nicht nur die Ausführung quittieren, sondern zusätzlich vorher schon vermitteln, auf welchem Eingabeelement des Bildschirms sich sein Finger befindet und welche Funktion hier hinterlegt ist, um möglichen Fehleingaben vorzubeugen. Zudem kann so der visuelle und/oder auditive Sinneskanal entlastet und für andere Aufgaben genutzt werden (z. B. Bedienung des Infotainment-Systems im Auto bei gleichzeitigem Blick auf die Straße). In der vorliegenden Studie wird das entworfene Tacton-Set zunächst unter Laborbedingungen hinsichtlich grundsätzlicher Machbarkeit evaluiert. In einem nächsten Schritt soll eine Evaluation im Feld mit konkreten Anwendungsszenarien erfolgen.

Grundsätzlich muss sichergestellt sein, dass sich die Tactons untereinander sehr gut voneinander unterscheiden, da diese nicht nur relativ miteinander verglichen werden sollen, sondern eine absolute Identifikation ermöglicht werden muss, was Nutzern erheblich schwerer fällt (Brewster und Brown 2004). Des Weiteren ist eine möglichst einfache und schnelle Erlernbarkeit wünschenswert, was bei einem derart abstrakten und vergleichsweise unbekannten Konstrukt wie einem Tacton schwierig zu verwirklichen ist. Ein vielversprechender Ansatz ist hierbei, die Tactons so zu gestalten, dass die Identifizierung der von ihnen codierten Funktionen auf eine intuitive Weise erfolgen kann.

Chan et al. (2005, 2008) nutzten beispielsweise Metaphern, um die Erlernbarkeit von den in ihrer Studie genutzten, haptisch codierten Funktionen zu erleichtern. Bei der Gestaltung der Tactons griffen sie auf bekannte Geräusche und Tätigkeiten zurück, die mit den in ihrer Studie codierten Funktionen in Verbindung gebracht und demnach für die haptische Codierung dieser Funktionen genutzt wurden. Die sieben Tactons der codierten Funktionen mussten daher von den Versuchspersonen vermutlich nicht erst von Grund auf erlernt, sondern konnten nach einer Erklärung der Bedeutung und einer kurzen Eingewöhnungsphase schnell korrekt zugeordnet werden. Dafür spricht ebenfalls die hohe Gesamterkennungsrate des Versuchs von 95,7 % (Chan et al. 2005, 2008).

Um ein Tacton-Set für Standardfunktionen gestalten zu können, wurden zur Vorbereitung der hier vorgestellten Studie durch eine Gruppenbefragung potenzieller Nutzer Ideen zur Ausgestaltung verschiedener Standardfunktionen mittels Vibrationsmustern sowie deren Konnotation gesammelt. Im Einzelnen wurden die Funktionen Beenden, Bestätigen, Hauptmenü, Hilfe, Korrektur, Lauter, Leiser sowie Zurück betrachtet, welche in Menüführungen verschiedener Anwendungen (Bankterminal, Fahrkartenautomat, Infotainment-Systeme etc.) besonders häufig vorkommen.

Zehn (sechs männlich, vier weiblich) Teilnehmer im Alter von 38,4 ± 16,2 Jahren (Spannweite 25–69 Jahre) nahmen an dieser Befragung teil. Fünf der Teilnehmer waren Studierende, drei berufstätig und zwei im Ruhestand. Somit wurde das Ziel erreicht, eine möglichst heterogene Gruppe zusammenzustellen, um unterschiedliche Ansätze und vielfältige Ideen zusammenzutragen (Franke 2016).

Die Teilnehmer wurden vom Leiter der Gruppenbefragung durch eine Präsentation zunächst umfassend in die Thematik der Tactons sowie deren mögliche modifizierbare Parameter eingeführt und ihre Aufgaben sowie die Zielsetzung der Befragung definiert. Anschließend wurden die Ideen mit Methoden des Brainstormings und Brainwritings zusammengetragen. Während beim Brainstorming solche Ideen mündlich geäußert werden, so werden diese beim Brainwriting schriftlich festgehalten. Dies ermöglicht es ebenfalls zurückhaltenden oder unsicheren Personen, ihre Ideen – auch in anonymer Form – einzubringen (Schmid 1992). Beide Methoden haben gemeinsam, dass möglichst viele Ideen sowie auch ungewöhnliche Vorschläge erwünscht sind (Franke 2016) – eine Bewertung der gesammelten Beiträge erfolgt erst im Nachgang.

Die Teilnehmer sollten nun in Kleingruppen (drei bis vier Personen) einzelne aufgebaute Stationen durchlaufen, wobei eine Station eine der betrachteten Standardfunktionen repräsentierte (pro Station etwa fünf Minuten Zeit). An jeder Station standen den Teilnehmern sowohl Stifte und Plakate als auch Aufnahmegeräte für Ton und Video zur Verfügung, um ihre Ideen zu äußern. Die Ergebnisse der vorherigen Kleingruppen konnten hierbei aufgegriffen und weiterentwickelt werden. Die Gruppenbefragung schloss mit einer gemeinsamen Abschlussdiskussion aller Teilnehmer, bei der Hintergründe zu einzelnen Ideen detailliert erfragt und Ergänzungen zu geäußerten Vorschlägen vorgenommen werden konnten.

Insgesamt wurden 181 verschiedene Ideen gesammelt, wobei 122 Vorschläge auf die Poster geschrieben sowie 54 Tonaufnahmen und fünf Videoaufnahmen angefertigt wurden. Hervorzuheben ist an dieser Stelle, dass trotz der verhältnismäßig kurzen Auseinandersetzung mit der für alle Teilnehmer unbekannten und abstrakten Thematik der Tactons bereits einige Antworten bezüglich einer konkreten Umsetzung eine hohe Qualität aufwiesen, z. B. „Die Funktionen Lauter und Leiser könnte man über die Amplitude/Frequenz darstellen“ oder „Die Funktion Bestätigen sollte ohne Rauheit realisiert werden“.

Zur Auswertung wurden diese Ergebnisse zunächst transkribiert. Anschließend wurden die Ergebnisse thematisch verglichen und ähnliche Beiträge zu übergeordneten Themeneinheiten gruppiert (Meuser und Nagel 2009). Im letzten Schritt erfolgte eine Selektion der Daten, wobei bestimmte Vorschläge aussortiert wurden – einerseits solche Ideen, die nicht zur definierten Fragestellung passten, und andererseits solche, die kaum genannt wurden oder wenig Unterstützung von anderen Gruppenmitgliedern bekamen (Ullrich 2006). Die hiernach vorliegenden Ergebnisse dieser Befragung werden aufgegriffen und bei der Gestaltung der einzelnen Funktionen berücksichtigt (siehe Abschn. 3.1 und 4.1).

Die Ideensammlung dieser heterogenen Teilnehmergruppe war ein wichtger Bestandteil für die anschließende Ausgestaltung des Tacton-Sets für Standardfunktionen, da nun sowohl geeignete Parameter, welche aus der Literatur bekannt sind (z. B. Brewster und Brown 2004; Brown et al. 2006; Constantin und Brewster 2010; Stein et al. 2017; van Erp 2002), als auch Vorschläge zur konkreten Gestaltung des Tacton-Sets berücksichtigt und umgesetzt werden konnten.

Neben der Berücksichtigung der Ergebnisse der Gruppenbefragung und der bereits vorhandenen Erkenntnisse aus der Literatur wird zudem versucht, die Tactons für die genannten Standardfunktionen möglichst intuitiv zu gestalten. Damit liefert diese Studie einen ersten Vorschlag eines solchen Tacton-Sets, welches im Folgenden beschrieben und unter verschiedenen Versuchsbedingungen evaluiert wird.

Das nach der vorherigen Evaluation identifizierte Verbesserungspotenzial bezüglich der Erkennbarkeit einzelner Tactons und der Unterscheidbarkeit untereinander soll nun umgesetzt werden. Daher wird im Folgenden die Ausgestaltung der vier weniger gut erkannten Tactons Bestätigen, Lauter, Leiser und Zurück analysiert und entsprechend der Erkenntnisse aus dem vorherigen Versuch angepasst. Anschließend wird das gesamte Tacton-Set erneut evaluiert, wobei das gleiche Versuchsdesign wie im vorherigen Versuch gewählt wird, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Durch ein solches Vorgehen kann das Tacton-Set für Standardfunktionen Schritt für Schritt verbessert und die Ergebnisse jeder Iteration können miteinander verglichen werden.

Die nachfolgend beschriebene Studie beinhaltet also die erste von weiteren möglichen Iterationen einer schrittweisen Optimierung dieses Tacton-Sets für Standardfunktionen.

Das in Abschn. 3 entworfene Tacton-Set für Standardfunktionen konnte durch die beschriebene Weiterentwicklung (siehe Abschn. 4) deutlich verbessert werden. Die Gesamterkennungsrate wurde signifikant um 9 % gesteigert (von 0,70 ± 0,19 auf 0,79 ± 0,18), und auch die Erkennungsraten der einzelnen Blöcke wurden erhöht.

Vergleichbare Erkennungsraten wurden in früheren Studien erzielt. Azadi und Jones (2014) entwarfen beispielsweise neun Tactons aus den Parametern Frequenz, Amplitude und Dauer und erzielten zunächst Erkennungsraten am Zeigefinger von 73 %. Nach einer Anpassung der neun Tactons, bei denen nun die Parameter Frequenz, Amplitude und Rhythmus genutzt wurden, stieg die Erkennungsrate auf 79 % (Azadi und Jones 2014). Pescara et al. (2019) erreichten in ihrer Studie, in der durch ein vibrotaktiles Armband Veränderungen volatiler Märkte (z. B. von Aktien) als Ergänzung einer Smartphone-Anwendung genutzt wurden, Erkennungsraten von 84 %. Auch Luzhnica et al. (2016) erzielten zunächst eine Gesamterkennungsrate von 81 %, wenn die Vibrationsmuster an der Hand appliziert wurden. Nach einer mehrstündigen Trainingsphase stieg diese Erkennungsrate auf 85 % bzw. 96 % – je nach Komplexität der Signale (Luzhnica et al. 2016).

Bei der vorliegenden Untersuchung fällt auf, dass sich die Erkennungsraten unter den verschiedenen Versuchsbedingungen, insbesondere zwischen den Blöcken A und B, nun weniger unterscheiden. Während bei der Evaluation des ersten Tacton-Sets die in Block B erzielten Ergebnisse signifikant besser waren als die der Blöcke A und C, so sind nach der Evaluation des weiterentwickelten Tacton-Sets keine signifikanten Unterschiede in den Erkennungsraten der einzelnen Blöcke mehr nachzuweisen. Bemerkenswert ist diese Erkenntnis vor allem für Block C (Ablenkung), was dafür spricht, dass bei entsprechender Ausgestaltung der Tactons unterschiedliche Aufgaben über die verschiedenen Sinneskanäle verteilt werden können (Freeman et al. 2017), und frühere Erkenntnisse bestätigt. Auch in der Studie von Luzhnica und Veas (2019) waren die Ergebnisse unter Ablenkung zwar etwas schlechter, die Erkennungsraten aber nicht signifikant geringer als ohne eine ablenkende Nebenaufgabe. In der vorliegenden Studie könnte dies auf eine allgemein bessere Unterscheidbarkeit der Tactons zurückzuführen sein, da zum einen in Block A (absolutes Erkennen der Tactons ist gefragt, ohne Hilfestellung oder Ablenkung) die größten Steigerungen in den Erkennungsraten erreicht werden konnten und die Hilfestellung in Block B kaum noch zum Tragen kommt. Stattdessen ist nun der Einfluss der Ablenkung in Block C deutlicher zu erkennen. Zum anderen wurden insbesondere bei den zuvor schwierig zu unterscheidenden Tactons, wie z. B. Bestätigen und Hauptmenü, über alle Versuchsbedingungen hinweg große Verbesserungen in den Erkennungsraten erzielt (Gesamterkennungsraten: Bestätigen von 0,59 ± 0,32 auf 0,88 ± 0,20, Hauptmenü von 0,68 ± 0,24 auf 0,81 ± 0,22). Zudem wurden diese beiden Tactons nach der Weiterentwicklung des Tacton-Sets auch subjektiv besser bewertet. Bemerkenswert ist an dieser Stelle außerdem, dass das Tacton Hauptmenü auch ohne Modifikation eine deutlich bessere Erkennungsrate erzielen konnte, was dafür spricht, dass das Prüfen der Verwechslungsraten durchaus sinnvoll ist, um Verbesserungspotenziale zu identifizieren, und die vorgenommenen Änderungen Wirkung zeigten.

Bei den ebenfalls häufig untereinander verwechselten Tactons Lauter, Leiser und Zurück konnte Lauter eine deutliche Steigerung der Erkennungsrate erzielen (von 0,66 ± 0,28 auf 0,86 ± 0,20). Leiser und Zurück verbesserten sich hingegen nur minimal um jeweils 3 %. In Verbindung mit der Tatsache, dass diese beiden Tactons auch in der absoluten Erkennungsrate am schlechtesten abschnitten, kann hier von weiterem Verbesserungspotenzial bezüglich deren Ausgestaltung ausgegangen werden, was in einer weiteren Iteration umgesetzt werden könnte. Zudem wurde das Tacton Zurück nach der Weiterentwicklung von den Versuchspersonen als signifikant schlechter beurteilt, obwohl die Erkennungsraten vergleichbar waren. Warum sich die Erkennungsraten des Tactons Lauter derart steigern konnten, wohingegen die des Tactons Leiser keine Verbesserungen zeigte, kann nicht abschließend geklärt werden. Möglicherweise liefert die gegensätzliche Gestaltung dieser beiden Tactons hierfür eine Erklärung. Die lange, schwache Vibration am Anfang des Tactons Lauter kann gut wahrgenommen werden und die Steigerung hin zur kurzen, starken Vibration am Ende des Tactons ist deutlich spürbar. Demgegenüber könnte die starke Vibration zu Beginn des Tactons Leiser die Wahrnehmung der folgenden, schwächeren Vibrationen erschweren und somit zu Verwechslungen mit den ebenfalls anhand einer Modulation der Intensität gestalteten Tactons Lauter und Zurück führen. Dieser Umstand würde den großen Unterschied der Erkennungsraten von Lauter gegenüber Leiser und Zurück erklären.

Alle Verwechslungsraten des weiterentwickelten Tacton-Sets sind in der folgenden Tab. 2 dargestellt.

Bezüglich der grundlegenden Eignung des weiterentwickelten Tacton-Sets konnten deutliche Verbesserungen erzielt werden. Zieht man erneut Block B heran, in dem durch eine Hilfestellung (zusätzliche Beschreibung der Tactons neben den Antwort-Buttons) simuliert wurde, dass die Ausgestaltung der Tactons den Versuchspersonen bekannt ist, so erreichten sechs der acht Tactons (Beenden, Bestätigen, Hauptmenü, Hilfe, Korrektur und Lauter) Erkennungsraten von über 80 %, was als geeignet angesehen werden kann (Brown et al. 2005, 2006).

Zum Versuchsdesign ist einschränkend zu sagen, dass aufgrund der unterschiedlichen Aufgaben der Blöcke A und B im Vergleich zu Block C die Erkennungsraten nur eingeschränkt miteinander zu vergleichen sind. Um auch unter Ablenkung eine Aussage treffen zu können, ob die Tactons unter Simulation des alltäglichen Umgangs durch die Hilfestellung (wie in Abb. 2) besser erkannt werden, könnte ein Block D dem Versuchsdesign hinzugefügt werden. In diesem Block D wäre die Aufgabe gleich der in Block C, allerdings wäre hier eine ebensolche Hilfestellung wie in Block B gegeben. Ein zusätzlicher Versuchsblock hätte aber den zeitlichen Rahmen für die Versuchsdurchführung gesprengt.

Es ist außerdem zu erwähnen, dass den Versuchsteilnehmern lediglich eine fünfminütige Übungsphase zur Verfügung stand, um die Tactons und deren zugeordnete Funktionen zu erlernen. Wäre diese Übungsphase länger oder – eine erfolgte Integration der Tactons in unterschiedliche Geräte vorausgesetzt – würde ein täglicher Umgang mit diesen Tactons stattfinden, so würden die Erkennungsraten vermutlich noch höher ausfallen (Azadi und Jones 2014). Diese Vermutung bestätigt sich bei Luzhnica et al. (2016), deren Versuchsteilnehmer nach einer drei- bis fünfstündigen Trainingsphase Erkennungsraten von 90 % und mehr erzielen konnten.

In einem nächsten Schritt gilt es, die Erkenntnisse dieser Laborstudie unter realen Bedingungen im Feld zu überprüfen und das entworfene Tacton-Set in konkreten Anwendungsszenarien (z. B. Bedienung eines Fahrkartenautomaten bei Blendung und lauten Umgebungsgeräuschen, Bedienung des Infotainment-Systems im Auto) zu evaluieren, um zu untersuchen, ob hierbei vergleichbare Erkennungsraten erzielt werden und inwieweit diese einen Mehrwert für den Nutzer generieren. Zudem wäre es interessant, das Tacton-Set auch bei Endgeräten zu evaluieren, die von den Nutzern in der Hand gehalten werden (wie Smartphone und Tablet-PC), um herauszufinden, ob sich die Wahrnehmung der Tactons am interagierenden Finger und der haltenden Hand gegenseitig beeinflussen.

Insgesamt erscheint das gewählte Vorgehen bei der Entwicklung des Tacton-Sets sinnvoll. Sowohl existierende Erkenntnisse aus der Literatur als auch die Ideensammlung aus der Gruppenbefragung zur konkreten Ausgestaltung der Tactons wurden bei der Gestaltung des Tacton-Sets berücksichtigt und ermöglichten eine gewisse Einschränkung der unzähligen Möglichkeiten, wie solche Tactons gestaltet werden könnten.

Die Ergebnisse dieses Versuchs zeigen, dass das eingangs vorgestellte Tacton-Set durch eine systematische Überarbeitung nochmals verbessert werden konnte. Sowohl die Gesamterkennungsrate als auch die Erkennungsraten der einzelnen Versuchsbedingungen konnten gesteigert werden.

Nach wie vor sollte die Codierung einzelner Funktionen (v. a. Leiser und Zurück) weiter verbessert werden, um bei allen Tactons geeignete Erkennungsraten von über 80 % zu erreichen, wobei das hier gewählte Vorgehen dazu gut geeignet scheint. Die am schlechtesten erkannten Tactons sollten hierfür bezüglich ihrer Ausgestaltung nochmals genauestens betrachtet sowie deren Verwechslungen mit anderen Tactons analysiert werden.

So kann ein solches Tacton-Set für Standardfunktionen in einem iterativen Prozess unter Einbezug potenzieller Nutzer weiter verbessert werden und einen Beitrag für eine einfachere und intuitive Interaktion mit einem Touchscreen liefern. Die vorliegende Ausarbeitung zeigt somit, wie existierende wissenschaftliche Ergebnisse in einem praktischen Szenario angewendet werden können, und liefert gleichzeitig ein übertragbares Vorgehen für die iterative Gestaltung von Tactons, das für andere Anwendungsfälle genutzt werden kann.