Ein Brain-Computer-Interface-basiertes Schachbrett, das Sie mit Ihren Augen bedienen können

Foto: © Ivan Volosyak. Ein Teilnehmer spielt Schach mit dem System im BCI-Labor von Ivan Volosyak in Kleve.

Ein Brain-Computer-Interface-basiertes Schachbrett, das Sie mit Ihren Augen bedienen können

Stellen Sie sich vor, Sie spielen Schach, ohne auch nur eine einzige Figur zu berühren. Sie schauen einfach auf ein Feld, und das System versteht Ihre Absicht – ohne die Maus, die Tastatur oder Ihre Hände zu nutzen:

Das Forscherteam des BCI-Lab an der Fakultät Technologie und Bionik der Hochschule Rhein-Waal hat ein neuartiges Schachbrett entwickelt, das genau dies– mithilfe eines Brain-Computer-Interfaces (BCI) ermöglicht. Das System übersetzt visuelle Aufmerksamkeit in Schachzüge, indem es Gehirnaktivitäten als Folge des Anschauens von flackernden Lichtern durch den Menschen erkennt.

Das Schachbrett als BCI-Schnittstelle

Anstatt Spielzüge über die Einbringung externer Bildschirmen oder blinkender Markern auszuführen, integriert dieses System die visuellen Stimuli direkt in das Spielbrett.

Alle 64 Felder des Schachbretts werden die eine 8×8-LED-Matrix angesteuert. Jedes Feld enthält genau 10 Leuchtdioden. Die Nutzung von halbtransparenten Schachfiguren lässt zu, dass das LED-Licht von unten durch sie hindurchscheinen kann. Wenn ein Feld aktiviert wird, flackert es bestimmte Weise auf. Durch das Fokussieren der Felder, die mit verschiedenen konstanten Frequenzen blinken, entsteht im Gehirn der Nutzer*innen eine entsprechende Gehirnreaktion. Diese sogenannte Steady-State Visual Evoked Potential (SSVEP) kann gemessen werden.

Dieses Design hat zusätzlich den Vorteil das Schachbrett gleichzeitig als Anzeigegerät zu nutzen und das konventionelle Computerdisplay zu ersetzt.

Hardware für präzise Stimulation

Um zuverlässiges ein „messbares“ Flackern zu gewährleisten, verwendet das System eine dedizierte Hochleistungs-LED-Treiberstufe. Die Leuchtdioden werden über eine MOSFET-basierte Schaltmatrix gesteuert, das Brett kann so bis zu 38 W benötigen.

Ein Mikrocontroller übernimmt das genaue Timing und stellt sicher, dass jedes Feld mit einer präzisen Frequenz flackert. Diese Genauigkeit ist entscheidend, da die Gehirnaktivität direkt von stabiler und exakter visueller Stimulation abhängt.

Die Hardware-Architektur, einschließlich der LED-Treiberstufe und der Stromversorgungsschaltungen, wurde von Atilla Cantürk (wissenschaftliche Hilfskraft, BCI-Labor) entworfen und umgesetzt.

Von der Spiellogik zu Lichtsignalen

Eine auf der Programmiersprache Python-basierte Steueranwendung übernimmt die Schachlogik. Sie bestimmt gültige Züge und sendet kompakte Befehle an die Hardware des Schachbretts.

Der Mikrocontroller des neuartiges Schachbretts empfängt diese Befehle und aktiviert bestimmte LED-Gruppen. Dadurch flackern nur relevante Felder, was die Aufmerksamkeit des Nutzers gezielt lenkt und nur gültige Schachzüge erlaubt. In der Praxis sieht der Spieler die möglichen Züge direkt auf dem Brett hervorgehoben – ganz ohne zusätzlichen Bildschirm. Auch das ist eine Verschlankung der für die Nutzung notwendigen Geräte.

Die auf Python basierende Steuerungsanwendung wurde von Atilla Cantürk im Rahmen der Systemintegration entwickelt.

Wie das System Ihre Auswahl erkennt

Jedem Feld auf dem Spielbrett ist in der jetzigen Systemrealisierung eine eindeutige Blinkfrequenz zugeordnet. Wenn der Nutzer ein Feld fokussiert, kann im Gehirn ein entsprechendes Signal über Sensoren auf der Kopfhaut gemessen werden.

Eine EEG-Verarbeitungspipeline basierend auf Filter Bank Canonical Correlation Analysis (FBCCA) analysiert diese Signale und identifiziert die beobachtete Frequenz. Daraus kann das System in Echtzeit ableiten, welches Feld ausgewählt wurde.

So wird eine vollständig freihändige Interaktion ermöglicht, die allein durch visuelle Aufmerksamkeit gesteuert wird.

Von Schachrätseln zum autonomen Spiel

Der aktuelle Fokus liegt auf Schachrätseln, bei denen die Anzahl möglicher Züge begrenzt ist. Dadurch wird das System robuster und einfacher zu bedienen.

Zukünftige Entwicklungen zielen darauf ab, das System weiter auszubauen:

• vollständiges Schachspiel mit schnelleren und zuverlässigeren Eingaben
• längere Sitzungen mit verbesserter Stabilität
• Integration von Robotik, bei der ein Roboterarm die Figuren physisch auf dem Brett bewegt

Das langfristige Ziel ist ein vollständig autonomes, BCI-gesteuertes Schachspiel.

Warum dieser Ansatz relevant ist

Dieses Projekt zeigt, wie Brain-Computer-Interfaces in vertraute, reale Objekte integriert werden können, anstatt auf Schreibprogramme und abstrakte Computerschnittstellen angewiesen zu sein.

Durch die direkte Einbettung der Stimulation in das Schachbrett und die Nutzung der Schachregeln zur Einschränkung der Auswahlmöglichkeiten wird das System intuitiver und praxisnäher. Gleichzeitig verdeutlicht es das Potenzial von BCI-Technologie für:

• assistive Anwendungen für Menschen mit eingeschränkter Mobilität
• natürliche Mensch-Maschine-Interaktion
• hybride physisch-digitale Systeme

Anstatt klassische Interaktion zu ersetzen, erweitert dieser Ansatz Betroffene auf eine Weise, die unmittelbar und greifbar wirkt.

VIDEO: © Ivan Volosyak. GIF, das zeigt, wie das Brett die möglichen Züge einer Schachfigur hervorhebt. In diesem Fall werden die möglichen Züge der Dame hervorgehoben.7