B. Engel
Institut für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin (Direktor: Prof. Dr. med. Thomas Kraus),
RWTH Universitätsklinikum Aachen
(eingegangen am 20.05.2019, angenommen am 19.08.2019)
Immersion or falling into virtual reality – another issue for occupational medicine?
New virtual reality production and information technologies, for example in the form of the head-mounted display (HMD), have a lasting impact on our working environment. The technical and computer-generated illusion of virtual reality (VR) is intended to achieve the user’s complete immersion into a virtual world. Immersion is actually an old term with historically different applications, which has been rediscovered with the technique of virtualization. The classic human–machine interface is replaced by novel systems with immersive interfaces. Drivers for the use of virtual reality in the world of work are the exponential development of the performance of IT systems with increasing digitalization and dematerialization in an increasing number of areas of value creation along with greater networking between objects, processes and users. Immersion research explores immersion as a perceptual phenomenon and its psychological and physiological effects. The measurement of immersive states is carried out via structured observations, subjective questionnaires and the collection of physiological parameters. Exposure to VR technology may be accompanied by negative consequences of stress. Simulator disease is most well-known. In addition to structurally technical and hygienic deficiencies, there are also topics such as demarcation, self-optimisation, stress, addiction and social isolation.
Ergonomics and seamless integration into workflows are important for the acceptance of VR systems in practice. Immersive environments are increasingly being used for educational and training purposes. It is not just about virtual reality as a medium, but also about what you do with it and in it, or what additional contribution is created. With a view to work 4.0, transformation, creativity and innovation are to be incorporated into existing systems, processes, organisations and business models.
Keywords: immersion – virtual reality – head-mounted displays – work 4.0
Immersion oder Versinken in der virtuellen Realität – auch ein Thema für die Arbeitsmedizin?
Neue Produktions- und Informationstechnologien der virtuellen Realität (Virtual Reality), z. B. in Form des Head-Mounted-Display (HMD), beeinflussen nachhaltig unsere Arbeitswelt. Die technische und computergenerierte Illusion von Virtual Reality (VR) soll ein möglichst vollständiges Versinken (Immersion) des Nutzers in eine virtuelle Welt erreichen. Immersion ist eigentlich ein alter Begriff mit historisch unterschiedlichen Anwendungen, der mit der Technik der Virtualisierung eine Wiederentdeckung erfuhr. Die klassische Mensch-Maschine-Schnittstelle wird durch neuartige Systeme mit immersiven Schnittstellen abgelöst. Treiber für den Einsatz der virtuellen Realität auch in der Arbeitswelt sind die exponentielle Entwicklung der Leistungsfähigkeit von IT-Systemen mit zunehmender Digitalisierung und Dematerialisierung in immer mehr Bereiche der Wertschöpfung unter einer zunehmenden Vernetzung zwischen Objekten, Prozessen und Anwendern. Die Immersionsforschung ergründet die Immersion als Wahrnehmungsphänomen und deren psychologischen und physiologischen Auswirkungen. Die Messung immersiver Zustände erfolgt über strukturierte Beobachtungen, subjektive Fragebögen und Erhebung von physiologischen Parametern. Die Exposition gegenüber der VR-Technik geht gegebenenfalls mit negativen Beanspruchungsfolgen einher. Am bekanntesten ist die Simulatorkrankheit. Neben strukturell-technischen und hygienischen Mängeln kommen Themen wie Entgrenzung, Selbstoptimierung, Stress, Sucht und soziale Isolation hinzu.
Für die Akzeptanz von VR-Systemen in der Praxis sind Ergonomie und nahtlose Integration in die Arbeitsabläufe wichtig. Immersive Umgebungen werden zunehmend für Bildungs- und Trainingszwecke eingesetzt. Es geht nicht allein um die virtuelle Realität als Medium, sondern darum, was man mit ihr und darin macht bzw. welcher zusätzliche Beitrag entsteht. Im Hinblick auf Arbeit 4.0 sollen Transformation, Kreativität und Innovation in bestehende Systeme, Prozesse, Organisationen und Geschäftsmodelle einfließen.
Schlüsselwörter: Immersion – Virtuelle Realität – Head-Mounted-Displays – Arbeit 4.0
Neue Produktions- und Informationstechnologien verwandeln nachhaltig unsere Arbeitswelt. Besonders im Bereich der Arbeitssystemgestaltung, z. B. in Form des Head-Mounted-Display (HMD) hält, die immersive Technologie der virtuellen Realität (Virtual Reality) Einzug. Der Begriff Immersion (lat. immergere: eintauchen, versinken, untertauchen, einbetten) wird für die verschiedensten Bedingungen (physikalisch, technisch, mathematisch, astronomisch, medizinisch, künstlerisch, sprachlich) gebraucht (Quelle: Duden online).
Immersion und Virtuelle Realität
Im Unterschied zur computergestützten Erweiterung der Realitätswahrnehmung (Augmented Reality, AR) soll die technisch und computergenerierte Illusion von Virtual Reality (VR) ein möglichst vollständiges Versinken (Immersion) des Nutzers in eine virtuelle Welt erreichen (Sherman u. Craig 2003). Die drei Haupteigenschaften der virtuellen Realität sind Immersion, Interaktion und Imagination (Burdea u. Coiffet 2003). Haptische Handschuhe, Jacken und Anzüge übertragen durch Tracking (Nachführung bzw. Verfolgung) menschliche Bewegungen in die virtuelle Realität und verstärken so die Immersion. Es existiert keine konsolidierte vollständige Auflistung von Faktoren, die den Immersionsgrad beeinflussen. Eine höhere technologische Leistung erhöht nicht automatisch den Immersionsgrad. Dabei werden die individuellen Kenntnisse, Erfahrungen und Dispositionen des Menschen nicht berücksichtigt. Oft werden Lösungen befürwortet und weiterentwickelt, ohne ihre generelle und gruppenspezifische Eignung für die gestellte Aufgabe zu prüfen. Ein Test, bei dem dieselbe Aufgabe einmal in einer virtuellen und einmal in einer realen Umgebung gelöst werden muss, ermöglicht ein Urteil über die Qualität der Simulation. Der Zustand der Immersion hängt eng von der physischen (Beweglichkeit, Kraftentfaltung, Ausdauer) und psychologischen (Sinneswahrnehmung, Informationsverarbeitung, Informationsspeicherung) Leistungsfähigkeit des Benutzers ab (Landau u. Pressel 2009).
Der Zustand der Immersion durchläuft dabei verschiedene Phasen bzw. Stufen (Repräsentation, Identifikation, Interaktion, Intensivierung, Gewöhnung). Der Grad der Immersion kann teilweise oder vollständig (semi oder total) sein. Immersive Umgebungen erweitern die Möglichkeiten der virtuellen Realität – insbesondere in Arbeits- und Lernwelten (Arbeit 4.0) der Zukunft.
Immersive Umgebungen
Immersive Umgebungen ermöglichen eine kontexttreue mathematisch-numerische Darstellung eines Objekts mit all seinen Eigenschaften und Komponenten in einem realen Maßstab (virtuelles Produkt). Die Immersion in virtuellen Umgebungen macht (Zukunfts-)Szenarien für Benutzer greifbar und erlebbar (Experience Immersions). Damit soll das Vorstellungsvermögen des Benutzers angeregt und die natürliche (emotionale) Rückmeldung begünstigt werden. Die heutige Desktop-Umgebung wird als klassische Mensch-Maschine-Schnittstelle durch neuartige Systeme mit immersiven Schnittstellen abgelöst, in denen eine bilaterale Interaktion mit dem Nutzer eine größere Rolle spielt. Statt ein System zu bedienen, soll der Mensch intuitiv die visualisierten Inhalte erfahren und verändern können.
Immersion in der Arbeitswelt
Treiber für den Einsatz der virtuellen Realität auch in der Arbeitswelt sind die exponentielle Entwicklung der Leistungsfähigkeit von IT-Systemen mit zunehmender Digitalisierung und Dematerialisierung in immer mehr Bereiche der Wertschöpfung unter einer zunehmenden Vernetzung zwischen Objekten, Prozessen und Anwendern. Die Arbeitswissenschaft schaut beim Einsatz von VR in erster Linie auf Gebrauchstauglichkeit und Benutzerfreundlichkeit (Usability und User-Experience) und die partizipative Einsatzgestaltung bzw. Umsetzung (z. B. www.dguv.de/ifa/sutave). Die Arbeitsmedizin ist spätestens beim betrieblichen Einsatz von Datenbrillen und deren Beurteilung in Hinblick auf Gesundheits- oder Unfallrisiko beteiligt. Vor Benutzung eines Head Mounted Displays (HMD) ist aus arbeitsmedizinischer Sicht eine Überprüfung des Gesichtsfeldes und der Wahrnehmung notwendig (Gesichtsfelduntersuchung).
Optimale Visualisierung und Immersion bewirken eine hohe Transparenz bei der Simulation (Effert u. Potthast 2013). Womöglich führt dies zu einer Verbesserung der räumlichen Vorstellung, einer besseren Memorierungsleistung bei prozeduralen Aufgaben und einer höheren Bandbreite nutzbringender Informationen. Immersive Systeme existieren mittlerweile in vielen Größen und Anwendungsbereichen, z. B. Datenbrillen (HMD; Wille 2016), transparente Monitore, Großbildschirme, VR-Wand (Powerwall) und ganze Räume (Cave Automatic Virtual Environment, CAVE). Für die Akzeptanz von AR-Systemen in der Praxis sind Ergonomie und nahtlose Integration in die Arbeitsabläufe wichtig. Die technischen und digitalen Möglichkeiten eröffnen bereits heute personalisierte, interaktive, anwendungsbezogene, vernetzte und ortsunabhängige Lernerfahrungen.
Immersion in interaktive Lernwelten
Immersive Umgebungen werden zunehmend für Bildungs- und Trainingszwecke eingesetzt (Ovtcharova et al. 2015). Ziel ist eine anschauliche und anwendungsbezogene Darstellung von Lerninhalten, um komplexe oder abstrakte Themen z. B. durch direktes Erleben, Individualisierung, Selbststeuerung und Simulation besser zu vermitteln. Ein Vorteil von virtuellen Lernumgebungen ist die Simulation wirklichkeitsgetreuer Bedingungen bei Trainings, die real mit hohen Gefahren oder Kosten verbunden wären. Computergrafiken bilden nicht nur ab, sondern vermitteln auch Wissen, weil sie mathematisch kodierte Erkenntnisse über mögliche und tatsächliche Phänomene visualisieren (Wagner 2005).
Die Vorteile von virtuellen und besonders von immersiven Lernumgebungen gegenüber traditionellen Lehrmethoden sind hinsichtlich ihrer inhaltlichen und technologischen Relevanz (auch von Seiten der Arbeitsmedizin) noch unzureichend erforscht. Die Akzeptanz steigt, je realer die virtuelle Darstellung oder die Simulation gelingt und je menschlicher ein Avatar oder ein Menschmodell (engl. Manikin) in Bezug auf seine soziale und räumliche Präsenz und die Inszenierung der virtuellen Umgebung gestaltet wird (Lecon u. Koot 2015). Dabei unterstützt die Technologie zur Emotionserkennung (Affective Computing), um die Immersion in ein Computerspiel (z. B. Serious Games for Health) oder in eine VR-Technik zu erhöhen.
Immersionsforschung
Die Immersionsforschung ergründet die Immersion als Wahrnehmungsphänomen und deren psychologischen und physiologischen Auswirkungen. Dabei verfolgt sie im Wesentlichen zwei Richtungen:
Bereits bei der Konzeption von VR-Systemen werden kognitive Prozesse der Benutzer berücksichtigt und häufig mehrerer sensorischer Kanäle hin zu einem konsistenten Ganzen integriert, damit in Echtzeit interagiert werden kann. Neben Medientechnologie und Informatik werden somit auch die Themenfelder der objektiven und subjektiven Sinnesphysiologie bzw. der kognitiven Neurowissenschaft berührt (Jeschke et al. 2014). In der interdisziplinären Immersionsforschung spielt die Arbeitsmedizin eine untergeordnete Rolle.
Diagnostik der Immersion
Die Messung immersiver Zustände erfolgt über strukturierte Beobachtungen, subjektive Fragebögen und Erhebung von physiologischen Parametern. Die Fragebögen werden in Anlehnung an weitere Konstrukte wie z. B. Flow, kognitive Absorption und den Zustand der Präsenz konzipiert (Jennett et al. 2008). Bei der digitalen Darstellung von Menschen in der immersiven virtuellen Realität beschreibt die Immersion die Überführung in einen Bewusstseinszustand, bei dem sich die Wahrnehmung der eigenen Person in der realen Welt vermindert und die Identifikation mit dem Avatar in der virtuellen Welt vergrößert (Krol 2014). Forschungseinrichtungen wie das Fraunhofer-Institut für Arbeitswissenschaft und Organisation nutzen bereits heute immersive 3D-Darstellungen zur detailgenauen und anmutungstreuen Echtzeitvisualisierung, um in einer kollaborativen Entscheidungsfindung virtuelle Prototypen der Produktentwicklung zu erstellen.
Proteus-Effekt
Der Proteus-Effekt beschreibt eine Verhaltensänderung eines Protagonisten, wenn er betrachtete und erlebte Einstellungen und Verhaltensweisen aus einer virtuellen Welt übernimmt und sein Verhalten in der realen Welt entsprechend ändert (Yee u. Bailenson 2007). Bewusstes Erleben ist danach ein dynamischer Prozess der Interaktion von Gehirn, Körper und (virtueller) Umwelt, bei der es zu einer verinnerlichten und übertragenden Vorstellung kommt (Embodied und Extended Mind).
Risiken und Gefahren der Immersion
Die Exposition gegenüber der VR-Technik löst physikalische, physiologische und psychologische Verhaltensweisen bzw. Reaktionen aus, die ggf. auch mit (negativen) Beanspruchungsfolgen einhergehen (Theis et al. 2016; Kirchhoff et al. 2017). Zum einen sind kognitive und körperliche Beschwerden wie z. B. Anpassungs-, Wahrnehmungs-, Seh-, Konvergenz- und Gleichgewichtsstörungen sowie Kopf- und Nackenschmerzen, Anspannung und Übelkeit zu nennen. Zum anderen kann es zu strukturell-technischen und hygienischen Mängeln bei häufiger und/oder gemeinsamer Nutzung kommen. Die gelenkte Aufmerksamkeit der virtuellen Zusatzinformation kann zu einer „Blindheit durch Nichtaufmerksamkeit“ führen, d. h. dass akute Gefährdungen im Sichtfeld des Anwenders nicht bemerkt werden. Auch ein erhöhtes Fehlerpotenzial oder die verminderte Fehlererkennung sind mögliche Gefahren.
Webbasierte Interaktionen finden häufig selbstorganisiert, eigenverantwortlich sowie zeit- und ortsflexibel statt. Neben der ursprünglichen Aneignung von Fachkompetenz gehen damit auch die Themen Entgrenzung und Selbstoptimierung einher. Weitere Aspekte sind Stress, Sucht und soziale Isolation.
Die Simulatorkrankheit (engl. Motion Sickness) ist kein neues Phänomen, sondern existiert, seitdem der Mensch technische Transportmittel verwendet. Sie rührt daher, dass man über das Display eine Fortbewegung wahrnimmt, während man tatsächlich ruhig sitzt. Das Gleichgewichtsorgan im Innenohr und das Auge stehen im Sinneskonflikt – ähnlich wie bei derSeekrankheit. Die häufigsten identifizierbaren Symptome sind allgemeines Unbehagen, Übelkeit, Schläfrigkeit, Kopfschmerzen und in einigen Fällen Erbrechen (Howarth u. Costello 1997). Auf der anderen Seite sind HMD mit Darstellung von künstlichen Horizontinformationen ein nutzbringender Therapieansatz gegen die See- bzw. Reisekrankheit (Buker et al. 2012).
Verletzungen als Folge der Immersion
Benutzer von VR-Techniken sind häufig funktionell blind für ihre reale Umwelt. Damit steigt das Unfall- und Verletzungsrisiko. Ablenkung, Wahrnehmungsverschiebung, Orientierungslosigkeit oder totale Immersion können zu Kollisionen mit realen Objekten, und Stolper- bzw. Absturzunfällen führen. Die Benutzer von HMD sind akustisch von der Außenwelt abgeschlossen. Deshalb sollten sie in einem sicheren Bereich agieren, d. h. in geschlossenen Räumen oder auf Freiflächen, die vorzugsweise mit Geländern geschützt werden sollten (Costello 1997).
Fazit
Immersion ist eigentlich ein alter Begriff mit historisch unterschiedlichen Anwendungen, der mit der Technik der Virtualisierung eine Wiederentdeckung erfuhr. Neben den Faktoren Flow und Präsenz trägt besonders die Immersion zum (bestmöglichen und gewünschten) Erleben der VR-vermittelten Illusion bei. Zunehmend werden immersive Umgebungen auch für Bildungs- und Trainingszwecke eingesetzt, mit dem Ziel einer anschaulichen und anwendungsbezogenen Darstellung.
Neben den anscheinend unbegrenzten Möglichkeiten und Chancen einer immersiven Arbeits- und Lernwelt sind die schon heute bekannten Nebenwirkungen, Risiken und Gefahren zu berücksichtigen. Viele Entwicklungen der VR und AR stecken noch im Entwicklungs- oder Versuchsstadium. Die Gefährdungsbeurteilung der VR- und AR-Technologie und die Definition von Schutzzielen wird somit eine fortwährende Herausforderung für die Arbeitsmedizin. Es geht nicht nur darum, Arbeits- und Produktionsschritte mit digitalen Möglichkeiten vernetzt und prozessorientiert zu gestalten oder neue (technische und digitale) Produkte zu entwickeln. Die Technologie der virtuellen Immersion mit Auslösung eines Gefühls von Präsenz bei den Nutzenden und die Gestaltung virtueller Welten im Sinne von Narration, Design und Interaktionsmöglichkeiten hängen eng zusammen. Es geht auch nicht allein um die virtuelle Realität als Medium, sondern darum, was man mit ihr und darin macht bzw. welcher zusätzliche wert- und sinnschöpfende Beitrag entsteht. Im Hinblick auf Arbeit 4.0 sollen durch die virtuelle Realität Transformation, Kreativität und Innovation in bestehende Systeme, Prozesse, Organisationen und Geschäftsmodelle einfließen. Dazu müssen Betreiber, Entwickler und Gestalter das innovative und kreative Potenzial der virtuellen und erweiterten Realität ausloten. Um Produzenten und Anwender vor Gesundheitsgefahren zu schützen, ist die frühzeitige Einbindung von arbeitsmedizinischer Expertise unumgänglich. Ohne die Phasen bzw. Stufen, Formen und Voraussetzungen der Immersion ist diese Neuerkundung nicht möglich. Die Arbeitsmedizin hat für sich die Frage nach Sinn, Nutzen und Mehrwert der Immersion bisher nicht beantwortet.
Interessenskonflikt: Der Autor erklärt, dass kein Interessenskonflikt vorliegt.
Literatur
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Verfasser
Dr. med. Bernhard Engel, M.Sc. M.Sc.
Institut für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin
Uniklinik RWTH Aachen
Pauwelsstraße 30
52074 Aachen
bengel@ukaachen.de
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