Unser Herzmuskel arbeitet unablässig und seine Kontraktionen werden vom Erregungsleitungssystem des Herzens gesteuert. Die vom Sinusknoten ausgehenden elektrischen Impulse sind so stark, dass man sie auf der Körperoberfläche als Potenzialänderungen messen kann. Dazu wird der Spannungsverlauf zwischen zwei am Körper anliegenden Elektroden gemessen.

Vor 100 Jahren bedurfte es noch eines enormen Aufwandes, um diese winzigen Spannungen messen zu können. Der Pateient musste seine Gliedmassen in Eimer mit Salzwasser tauchen. Ein winziges aus Glas gezogenes und mit Silber bedampftes Filament (deren Herstellung alleine schon abenteuerlich klingt) wurde durch die abgeleiteten Spannungen in einem elektromagnetischen Feld abgelenkt. Um ein Elektrokardiogramm anzufertigen, benötigte man 5 Personen, eine Wasserkühlung und einen eigenen Raum für das Gerät. Diese Darstellung zeigt einen der ersten Elektrokardiogramm-Geräte im Einsatz. Der Erfinder Willem Einthoven erhielt für das Gerät und die Beschreibung der Kurven im Kardiogramm 1924 den Medizin Nobelpreis.

Heute kann man Elektrokardiogramme einfacher durch zwei kleine Elektroden erstellen, die in zwei Handgriffe integriert sind. So werden sie zu einem Bestandteil der Science Center Exponate, in denen das Hands-on unmittelbar in eine Darstellung der eigenen Herzfrequenz umgesetzt wird.

Zwei Beispiele, wie der Herzschlag der Besucher gemessen und audiovisuell umgesetzt wird.

“Heart Beat” im Techniquest Cardiff

Sinnigerweise in der Abteilung “Music and Sound” platziert, ist das Herzfrequenzmessgerät in eine Pauke integriert. So wird der eigene Herzschlag verstärkt zu einem lauten Paukenschlagrhythmus. Ein kurzer Sprint auf der Stelle und die Paukenschlagfrequenz wird schneller.

“What makes you upset?” im Heureka Science Center, Helsinki

Im Heureka geht man einen anderen Weg. Der Besucher umklammert die Elektroden, während ihm Bilder und Informationen zu den drängenden Problemen der Menschheit dargeboten werden. Es geht um Hunger, Dürren, Wassermangel, Klimawandel etc. Die auf dem Bildschirm unter der Herzfrequenz stehende Frage ist: Wird sich mein Herzschlag angesichts dieser beunruhigenden Nachrichten erhöhen?

Ich bezweifle, dass wir auf solch komplexe globale Probleme wirklich mit erhöhtem Herzschlag reagieren, sinnvoller wäre wohl der Einsatz konkreter audiovisueller Reize, die überraschen, schockieren oder Erfolgsgefühle auslösen oder die Konstruktion persönlicher Geschichten. Diese Situationen werden vermutlich verlässlicher den Herzschlag verändern als das politisch korrekte Räsonieren über die Ungerechtigkeiten in der Welt. 

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Um mehr Schüler für ein Studium der Informatik zu begeistern hat das Computer Science Dept. der Universität von St Andrews in Grossbritannien eine Reihe von interaktiven Exponaten zum Thema Gesichtserkennung durch den Computer und automatische Bildbearbeitung produziert. Gesichter werden dabei nicht nur automatisch erkannt, sondern man kann sie auch mit Hilfe verschiedener Algorithmen altern lassen oder verjüngen. Die Transformationen erlauben auch die künstlerische Verfremdung im Stile eines Botticelli oder El Greco oder als Manga Comic. Auf Portraits der Schweizer Bundesräte angewandt, erscheint die Classe politique einmal in ganz anderem künstlerischem Licht:

Neben diesen scheinbar spielerischen Anwendungen wird die Öffentlichkeit aber auch sensibilisiert für die gesellschaftlichen Auswirkungen, die zum Beispiel eine Gesichtserkennung für die Videoüberwachung des öffentlichen Raums haben könnte. Besonders in Grossbritannien sind diese CCTV (Closed-circuit television) Anlagen omnipräsent.

Die Software “Face Transformer”, “Face Averager” und “Face Morpher” stehen als Webapplikationen auf der Website “Face of the Future“ zur Verfügung. 

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Stösst ein gleichmässig fliessender Wasserstrahl auf eine ebene horizontale Platte, bildet sich eine Wasserglocke, deren Form von der Fliessgeschwindigkeit des Wassers abhängt. Als kleine Version kann man eine solche Wasserglocke z.B. im Technorama Winterthur erzeugen und manipulieren.

Die japanische Künstlerin Yuki Sugihara hat 1999 begonnen, solche Wasserglocken als über drei Meter hohe Wasserkuppel-Installationen mit einem Durchmesser von 6 Metern zu produzieren. Diese Wasserkuppeln sind begehbar und erlauben einen Blick von innen auf die Wasserwände der Kuppel. Die dünne Wasserhülle kann dabei als Projektionsfläche für Bilder, Formen und Farben genutzt werden.

Mit Mietkosten von 10 Millionen Yen pro Woche (ca. 95′000 CHF) ist dieses Erlebnis allerdings recht kostspielig und nur mit Sponsoren möglich. Eine kleine Variante einer “begehbaren” Wasserglocke wird von der Künstlerin ebenfalls angeboten. Das ringförmigen Becken und die Wasserglockendüse sind auf einem Dreibein montiert und der Besucher kann seinen Kopf von unten durch das Ringbecken in die Wasserglocke stecken.

via digitalexperience.dk

Water Dome Project

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Obwohl schon seit über 70 Jahren bekannt, haben Form-Gedächtnis-Metalle nichts von ihrer Faszination verloren. Sie können z.B. bei Zimmertemperatur verformt werden, springen aber in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn man sie erhitzt. Das berühmteste ist das Nitinol. Der Name ist ein Akronym der Anfangsbuchstaben der beiden Hauptbestandteile der Legierung und des Labors, wo sie von William Buehler und Frederick Wang entdeckt wurde: Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory.

Form-Gedächtnis-Legierungen werden in der Medizin für gefässerweiternde oder -stützende Drahtgeflechte (Stents) verwendet, von Flugzeugbauern für sich dynamisch verändernde Flügelprofile getestet und in unzähligen Anwendungen für winzige lineare Antriebssysteme, Pumpen oder Ventile genutzt. Eine Feder aus einer Form-Gedächtnis-Legierung kann das 150-fache ihres eigenen Gewichtes anheben.

Das Tufts Biomimetic Devices Laboratory nahe Boston entwickelt einen aus mehreren Segmenten bestehenden Raupen-Roboter, dessen “Längsmuskulatur” aus Federn aus Metalllegierungen mit Form-Gedächtnis besteht. Diese Legierung kann sogar zwischen zwei verschiedenen Formen hin und her springen. Wird ein Strom angelegt, erwärmt sich die Feder und zieht sich zusammen, wird der Strom abgestellt, dehnt sich sich durch die Abkühlung wieder aus. Durch das gezielte Anlegen von Spannung an die verschiedenen “Längsmuskelstränge” lässt sich so die Bewegung einer Raupe nachahmen.

Mehr dazu in einem Artikel der New York Times.

Nitinoldrähte sind recht teuer, ein Meter eines 0,75 mm dicken Drahtes kostet umgerechnet gut CHF 8. 

Beispiele für Nitinol-Experimente:

“Grand Illusions” bietet einen Nitinol-Draht an, der sinnigerweise das englische Wort “HOT” formt und somit den Zustand des Wassers, das ihn in seine ursprüngliche Form zurückspringen lässt, passend umschreibt. Hier hat es einen Film dazu. Auch der Nitinol Teelöffel, der sich beim Einsatz im heissen Tee verformt, ist im Angebot.

Nitinol-Draht von Grand-Illusions

Die Firma Images Scientific Instruments hat gleich eine Reihe von Nitinol Experimenten im Angebot. Darunter eine Wärmemaschine, die durch einen in Warm- und Kaltwasserbehälter getauchten Nitinoldraht angetrieben wird, eine Laufmaschine und einen mechanischen Arm.

Nitinol Experimente von Images SI

Die Firma Reaching Insight bietet ebenfalls die Wärmemaschine an und “Muscle Wire” Kits, in denen jeweils verschiedene Nitinol-Drähte und Bauanleitungen für einfache Lifte, Hebel, Modelleisenbahn-Schranken, Papierflugzeug-Starteinrichtungen,  Schmetterlinge und eine sechsbeinige Geh-Maschine stecken.

Reaching Insight Muscle Wires

Um den Effekt kennen zu lernen, eignet sich besonders der kurze “Livewire” genannte Draht von TiNi Alloy, der mit Anleitung kommt und dessen Drahtenden mit je einer Plastikkugel abgeschlossen sind. Den Livewire gibt es z.B. in der AHA Galerie in Zürich.

TiNi Alloy

“Livewire”, eine Nitinol Büroklammer und verschiedene Nitinoldrähte mit oder ohne Wärmevorbehandlung gibt es auch beim Schweizer Versand “Klangspiel”.

Nitinol-Produke bei Klangspiel.ch

Ein Form-Gedächtnis-Draht und ein Glas warmes Wasser sind der Antrieb für dieses Windrad der Firma Exergia.

Exergia Shop

Direkt von den Herstellern Dynalloy, Memry und Memory-Metalle GmbH gibt es Nitinol-Drähte am Meter.

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Sonnencremes sollen die unsichtbare aber zellschädigende UV-Strahlung von der Haut fern halten.
Im Experimentarium in Kopenhagen kann man an einer etwas anderen “Labor-Sonnenbank” die Wirksamkeit des UV-Filters selber testen.

 
UV-Filter-Test mit Glasplatten, Sonnencremes und UV Lichtquelle (Grossansicht durch Klick aufs Bild)

Zum Test stehen eine Handcreme und zwei verschiedene Sonnencremes mit unterschiedlichem Schutzfaktor zur Verfügung. Die Cremes werden auf die Quartzglasplatten geschmiert und von oben mit Licht bestrahlt (drei Lichtquellen: UV-A, UV-B und normales Licht). Der weisse Untergrund unter dem Glas wirft bläuliches Licht zurück. Wird nun ein Teil des UV Lichts von der Sonnencreme absorbiert, gelangt nicht mehr alles UV-Licht auf den Boden und es entsteht ein Schatten, der um so stärker und deutlicher wird, je grösser die UV-Schutzwirkung ist.

Der Besucher wird eingeladen, beim nächsten Besuch seine eigene Sonnencreme zum Text mitzubringen.

Neuerdings werden transparente Sonnencremes angeboten, deren Titaniumdioxid-Partikel als physikalischer Filter so klein sind, dass sie das sichtbare Licht nicht mehr reflektieren. Diese Nanopartikel sind auf dem Markt erschienen ohne Abschätzung der möglichen Risiken bezüglich der Aufnahme der Partikel in den Körper. Ein anderes Risiko besteht aber bereits jetzt: Durch die Farblosigkeit kann der Sonnenbader nicht mehr erkennen, ob er sich auch wirklich gleichmässig eingecremt hat.

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Das dem französischen Philosophen und Naturwissenschaftler René Descartes zugeschriebene Spielzeug zur Veranschaulichung von Druck und Auftrieb kennen die meisten nur in der einfachen Variante für den Hausgebrauch.

Das Prinzip ist immer da gleiche: Ein kleines Gefäss, das mit Luft gefüllt ist und entweder eine elastische Hülle besitzt oder nach unten geöffnet und zu einem Teil mit Wasser, zum anderen mit Luft gefüllt ist, schwebt innerhalb eines anderen mit Wasser gefüllten Gefässes, meistens einer PET Flasche. In diesem lässt sich Druck auf das Wasser ausüben, z.B. über eine elastische Gummimembran, die man über den Schraubverschluss spannt. Das Wasser, selbst nicht komprimierbar, erhöht den Druck auf die Luftblase in dem kleinen Gefäss. Die Luft wird komprimiert, dabei reduziert sich ihr Volumen und damit der Auftrieb in dem kleinen Gefäss, das zu Boden sinkt.

Wenn man den Druck langsam reguliert, kann man den Taucher auf und ab tauchen oder ihn in der Mitte schweben lassen. Die “kleinen Gefässe” im Hausversuch können Pipetten, Kügelchen aus Alumiumfolie, Apfelsinenschalen, Brotstücke, Tintenpatronen, Ketchup- oder Senf-Plastikpäckchen sein.

Einige Science Center haben diesen Versuch zu einem grossen Exponat in ihrer Dauerausstellung gemacht. Schauen wir uns zwei Beispiele näher an.

Der kartesische Taucher im Explore-at-Bristol schwimmt im Wasser eines zwei Meter langen Glaszylinders, der auf einem soliden Sockel aus Metall steht. Der Taucher ist ein gut 30 cm hoher Plastikzylinder und die Druckveränderung erfolgt über Druck auf einen transparenten Plastikschlauch, der einer sehr stabilen PET-Flasche nicht unähnlich ist. Im Wasser haben sich leider schon Algen gebildet und wenn der Taucher am Boden aufschlägt, wirbelt er Algenfetzen in die Wassersäule.

Der kartesische Taucher im Techniquest Cardiff nutzt ebenfalls einen zwei Meter hohen aber weniger weiten Glaszylinder, der auf dem Sockel aus Plastik steht. Mit Druck auf den grossen roten Knopf wird der Druck in dem Zylinder erhöht. Der Taucher ist ein flaches Umriss-Modell eines Fisches mit Aluminiumfolienzylinder als deformierbaren Auftriebskörper.

Kombinieren wir die Vorteile beider Modelle:

• Der mit Wasser gefüllte Plastikschlauch zur Druckveränderung im Exponat in Bristol macht deutlich, dass das Wasser der Wassersäule mit diesem Plastikschlauch in Verbindung steht. Der rote Knopf im Techniquest Exponat lässt diese Verbindung und direkte Einflussnahme nicht so leicht erkennen.
• Das Techniquest nennt das Exponat explizit nicht “Kartesischer Taucher”, sondern “Schwimmblase”. Das Fischmodell mit Schwimmblase als Taucher lässt den Besucher die Anwendung des Prinzips in Natur und Technik (U-Boote) sofort erahnen. Die Deformation der Aluminiumfolie kann man zudem sehr gut beobachten. 

Die Techniquest-Umsetzung des Kartesischen Tauchers, insbesondere des Tauchergefässes selbst, ist hervorragend gelungen, da es nicht nur den Wirkmechanismus sichtbar macht, sondern auch die Umsetzung in der Natur visualisiert.

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