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Biologisch wirksames Licht - Sicherheit hinter dem Lenkrad

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    Tageslicht ist wichtig für Menschen, da Leistung, Stimmung und Gesundheit von der Sonne beeinflusst werden. Um die biologischen Lichteffekte des Pkw-Fahrers zu aktivieren, haben Mercedes-Benz und die Universität Regensburg intensive Lichtforschung für das Mercedes-Benz Experimental Safety Vehicle ESF 2019 durchgeführt. Im Innenraum ist ein sonnenähnliches Licht eingebaut kann die Aufmerksamkeit des Fahrers erhöht werden.


    Auswirkungen von Licht auf den Menschen

    Licht ist ein elementarer Bestandteil der Natur. Pflanzen benötigen Licht für die Photosynthese, Menschen und Tiere, um sich selbst zu sehen und zu orientieren. Seit einigen Jahren ist bekannt, dass Licht für den Menschen noch wichtiger ist. Licht liefert biologische Wirkungen: Der Körper reagiert auf Tageslicht, indem er den Hormonspiegel anpasst, der die Leistung, Stimmung und Gesundheit beeinflusst. Seit der Erfindung des elektrischen Lichts verbringen Menschen mehr Zeit in Innenräumen, in denen die Lichtverhältnisse unnatürlich niedrig sind. Oft reichen diese Beleuchtungsstärken nicht aus, um wichtige biologische Lichteffekte zu aktivieren. Diese Situation ist in der Lichtforschungsgemeinschaft als "biologische Dunkelheit" bekannt.

    All diese Aspekte werden von Wissenschaftlern und Lichtingenieuren als Trendthema Human-Centric Lighting (HCL) zusammengefasst. Zahlreiche aktuelle Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf diese Aspekte. Dies beinhaltet insbesondere eine Untersuchung der chronobiologischen, psychologischen und physiologischen Auswirkungen von Licht auf den Menschen. So kann Licht je nach Tageszeit und spektraler Zusammensetzung eine beruhigende oder anregende Wirkung ausüben [1] und somit die Wachsamkeit bei Tag oder die Entspannung am Abend fördern. Diese Effekte beruhen hauptsächlich auf Rezeptorzellen im Auge, die das Photopigment Melanopsin enthalten. Aus diesem Grund werden diese Effekte üblicherweise als sogenannte melanopische Lichteffekte bezeichnet.

    Mercedes-Benz führt seit einigen Jahren mehrere wissenschaftliche Studien durch, um die psychologischen und physiologischen Auswirkungen von Tageslicht sowie zusätzliche melanopische Beleuchtung mit einem hohen Blauanteil (Tageslichtergänzung, Tageslicht +) auf Fahrer in Fahrzeugen zu untersuchen [2, 3]. Dabei lag der Fokus auf zustandsfördernden Aspekten sowie auf einem verbesserten Wohlbefinden des Fahrers.

    Eine Daylight + -Lkw-Studie in Finnland im Jahr 2017 hat mehrere signifikant positive Auswirkungen auf Lkw-Fahrer gezeigt [3]. Nach dieser erfolgreichen Studie wurde Daylight + 2018 erstmals in einen Pkw integriert, um sowohl die Wirksamkeit als auch die Akzeptanz mit einer umfassenden Teilnehmerstudie auf öffentlichen Straßen zu untersuchen. Dies umfasste 40 Testpersonen, die das melanopisch wirksame Licht sowie eine Referenzbedingung in einem aktuellen Mercedes-Benz Pkw über 20.000 Testkilometer erlebten und bewerteten. Zahlreiche Experimente wurden auf drei Ebenen durchgeführt: technisch (Lichtmessungen, Fahrzeugfahrdaten usw.), psychologisch (Reaktionstests, Fragebögen usw.) und physiologisch (Elektroenzephalographie usw.).

    Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde 2019 eine vitalisierende Innenbeleuchtung für Personenkraftwagen entwickelt, die dem Fahrer diese Unterstützung in verschiedenen Situationen oder als permanenter adaptiver Assistent bietet. Diese vitalisierende Innenbeleuchtung wurde im Mercedes-Benz Experimental Safety Vehicle ESF 2019 uraufgeführt.


    Ziel der Autostudie

    Die Forschung bei Mercedes-Benz konzentrierte sich auf die folgende Hypothese: "Durch die Verwendung von melanopisch wirksamem Licht (Daylight +) bleibt ein Pendlerfahrer tagsüber im Fahrzeug leistungsfähig, aufmerksam und aufmerksam." Nachdem die vorherige Lkw-Studie in Finnland unter anhaltend trüben Tageslichtbedingungen durchgeführt worden war, wurde beschlossen, die vorliegende Pkw-Studie in gemäßigten Breiten durchzuführen. Es fand daher in Süddeutschland statt.

    Ziel war es, eine Fahrsituation für Pendler zu simulieren. Folgende Eigenschaften waren von besonderer Bedeutung:
    • Die Fahrzeiten sind morgens und nachmittags (Dämmerung).
    • Die Fahrzeit ist erheblich kürzer als in der LKW-Fahrerstudie und sollte ca. 2 h betragen.
    • Die Route ist bekannt, was bedeutet, dass bald eine monotone Fahrsituation erreicht wird.
    • Es gibt identische, vorhersehbare Verkehrsbedingungen für alle Testpersonen.

    Ein weiteres Ziel der Studie war es zu untersuchen, ob die leistungs- und komfortfördernden Lichteffekte von Daylight + morgens und nachmittags nachgewiesen werden können oder ob sich die Effekte je nach Tageszeit unterscheiden.
    Daher fuhren die Testpersonen in der Morgendämmerung und in der Nachmittagsdämmerung ungefähr 2:15 Stunden auf der Autobahn. Jeder Proband fuhr einen Tag mit Daylight + und am nächsten Tag mit dem Referenzfahrzeug (REF), das mit einem Dummy ausgestattet war, der Duftstoffe emittiert.


    Design und Ablauf der Studie

    Das Studiendesign wurde mit wiederholten Messungen ausgeglichen und enthielt eine aktive Kontrollbedingung. Es wurden zwei Mercedes-Benz E-Klasse-Fahrzeuge verwendet, von denen eines mit den Lichtanwendungen (Daylight +) ( Abbildung 1 ) und das andere mit der Referenzbedingung mit einer Duftemissionsattrappe (REF) ausgestattet war. Die Bedingungen wurden am nächsten Studientag ausgetauscht. Die Reihenfolge der beiden Bedingungen wurde für jede Testperson zufällig ausgewählt. Die gesamte Studie wurde in zwei Teilstudien aufgeteilt: die Morgenstudie und die Nachmittagsstudie. Das Verfahren für beide Studien war identisch (identische Bedingungen, identische Fahrzeuge, identische Route, identische Bewertungsinstrumente usw.), wobei der einzige Unterschied die Tageszeit (morgens gegenüber nachmittags) war.
    Abbildung 1 In konventionellen Fahrzeugen erreicht nur wenig Tageslicht den Fahrer (links); Durch adaptives Hinzufügen der Daylight + -Beleuchtung erhält der Fahrer biologisch wirksames Licht und die biologische Dunkelheit wird vermieden (Mitte und rechts) (© Mercedes-Benz).


    Abbildung 1
    In konventionellen Fahrzeugen erreicht nur wenig Tageslicht den Fahrer (links); Durch adaptives Hinzufügen der Daylight + -Beleuchtung erhält der Fahrer biologisch wirksames Licht und die biologische Dunkelheit wird vermieden (Mitte und rechts) (© Mercedes-Benz).

    In vier Wochen gab es 20 Studientage mit jeweils vier Fahrten pro Tag (Daylight + und REF am Morgen sowie Daylight + und REF am Nachmittag). Folglich konnten insgesamt 40 Testpersonen untersucht werden, 20 in der Morgenstudie und 20 in der Nachmittagsstudie. Die Studie fand im Januar und Februar 2018 statt. Alle Testpersonen waren Mercedes-Benz Mitarbeiter, die freiwillig an der Studie teilnahmen.

    Vor und nach der Fahrt wurden die Testpersonen mehreren psychologischen Tests (Reaktionszeit) unterzogen und Fragebögen ausgefüllt. Die Probefahrten fanden von 7 bis 9 Uhr morgens und von 16 bis 18 Uhr nachmittags statt. Während der Fahrten wurde die adaptive Tageslichtergänzung im Daylight + Fahrzeug eingeschaltet. Um ein Blenden zu verhindern, wurde die Helligkeit des Lichts mit einer hohen blauen Komponente mittels eines Außenlichtsensors automatisch und kontinuierlich an die Außenhelligkeit angepasst.


    Bewertungswerkzeuge

    Ein Lichtsensor (tragbares Lichtintensitätsmessgerät einschließlich eines Datenloggers) wurde verwendet, um die vertikale Beleuchtungsstärke jede Sekunde aufzuzeichnen. Ein solcher Lichtsensor wurde in jedem Fahrzeug zentral an der Windschutzscheibe positioniert und auch an einem Brillengestell nahe den Augen der Testpersonen angebracht. Dies ermöglichte es, sowohl das Umgebungslicht als auch die Lichtmenge in den Augen der Testfahrer zu protokollieren.

    Die Gehirnaktivität der Testperson wurde mittels Elektroenzephalographie (EEG) registriert, während die Alpha-Spindelrate (Spannungsschwankungen an der Oberfläche des Kopfes mit einer Frequenz von 8 bis 13 Hz) als Hauptmessparameter diente. Dies liefert Informationen über die Wachsamkeit des Fahrers. Eine hohe Spindelrate weist auf mangelnde Wachsamkeit hin [4].


    Lichttechnik-Konzept

    Das Daylight + -Beleuchtungsmodul wurde an der Position der Sonnenblende montiert und hat eine beleuchtete Fläche von ca. 240 cm², Abbildung 2 . Es kann eine maximale Leuchtdichte von ca. 6000 cd / m² und je nach Sitzposition bis zu ca. 2000 lx am Auge erzeugen (vertikale Messung).
    Lichtverhältnisse für den Fahrer ohne (links) und mit Tageslicht + in der Sonnenblende (rechts) (© Mercedes-Benz)


    Lichtverhältnisse für den Fahrer ohne (links) und mit Tageslicht + in der Sonnenblende (rechts) (© Mercedes-Benz)

    Menschen sind empfindlich gegenüber verschiedenen spektralen Lichtteilen. Für das Lichtspektrum, Abbildung 3 , wurde eine stark blau enthaltende weiße Lichtfarbe mit einem hohen Melanopiefaktor [5] einer Mel, v = 2,7, gewählt.

    Spektrenpräsentation: Die V (λ) -Kurve zeigt, welche Wellenlängen von unserem Auge als sehr hell wahrgenommen werden. Die s mel (λ) -Kurve zeigt die wichtigsten Wellenlängen für die melanopischen Lichteffekte. Das Daylight + -Spektrum hat viel blaues Licht und ist daher sehr melanopisch wirksam (© Mercedes-Benz)


    Spektrenpräsentation: Die V (λ) -Kurve zeigt, welche Wellenlängen von unserem Auge als sehr hell wahrgenommen werden. Die s mel (λ) -Kurve zeigt die wichtigsten Wellenlängen für die melanopischen Lichteffekte. Das Daylight + -Spektrum hat viel blaues Licht und ist daher sehr melanopisch wirksam (© Mercedes-Benz)

    Vor der Studie wurden zahlreiche Kalibrierungsfahrten mit verschiedenen Testfahrern durchgeführt, um eine Regelkurve zu kalibrieren, um zu vermeiden, dass bei schwachem Licht durch Tageslicht + geblendet wird. Das System vergleicht kontinuierlich die Lampenintensität mit der Umgebungshelligkeit und passt die Beleuchtungsstärke entsprechend an. Gleichzeitig wird der Dimmpegel in der Steuereinheit geglättet, um ein "Flackern" der Lampe zu verhindern. Schließlich wurde eine Hysteresefunktion zum Ein- und Ausschalten implementiert, um ein ständiges Ein- und Ausschalten um den Schwellenwert herum zu vermeiden.


    Experimentelle Ergebnisse

    Im Folgenden werden die wichtigsten Ergebnisse aus den drei Untersuchungsebenen technisch (leichte Ergebnisse), psychologisch (subjektive Fragebögen) und physiologisch (EEG) vorgestellt.

    In Bezug auf die technischen Lichtergebnisse wurde die Beleuchtungsstärke am Auge des Fahrers durch die Lichtanwendungen während der Vormittags- und Nachmittagsstudien signifikant erhöht ( Abbildung 4) . Sowohl vormittags als auch nachmittags war es durchschnittlich rund 700 lx höher als im REF. Figur 4zeigt auch, wie das Dimmen der Daylight + -Lampe funktioniert: Am Morgen fahren beide Fahrer unter den gleichen Helligkeitsbedingungen los. Während es noch sehr dunkel ist, kann Daylight + gemäß der Regelkurve nur in sehr begrenztem Umfang verwendet werden. Wenn die Umgebungshelligkeit im Verlauf der Fahrt zunimmt (siehe orange gepunktete Kurve), kann Daylight + mehr Licht hinzufügen und somit die blaue Kurve immer mehr anheben. Das Gegenteil gilt am Nachmittag. Es konnte gezeigt werden, dass die von der Daylight + -Lampe zusätzlich auf das Auge aufgebrachte Beleuchtungsstärke genau dem Unterschied zur Außenhelligkeit entspricht. Man kann daher sagen, dass Daylight + die biologische Dunkelheit in einem Fahrzeug kompensieren und die natürlichen Tageslichtbedingungen wiederherstellen kann.
    Durchschnittliche vertikale Beleuchtungsstärke am Auge und an der Windschutzscheibe (Fahrzeug) während der Probefahrten: Die adaptive Tageslichtergänzung kann das fehlende Tageslicht durch Hinzufügen von bis zu 2000 lx am Auge des Fahrers ausgleichen, insbesondere in Dämmerungssituationen (© Mercedes-Benz).


    Durchschnittliche vertikale Beleuchtungsstärke am Auge und an der Windschutzscheibe (Fahrzeug) während der Probefahrten: Die adaptive Tageslichtergänzung kann das fehlende Tageslicht durch Hinzufügen von bis zu 2000 lx am Auge des Fahrers ausgleichen, insbesondere in Dämmerungssituationen (© Mercedes-Benz).


    Die subjektiven Akzeptanzfragebögen zeigen, dass Daylight + als aktivierend und komfortabel empfunden wurde. Trotz der großen beleuchteten Fläche direkt im Sichtfeld des Fahrers und einer maximalen Leuchtdichte von 6000 cd / m² erhielt die Lampe eine sehr positive Bewertung hinsichtlich Störung und Blendung. Tageslicht + hat die Fahrer nicht abgelenkt, ihre Sicht beeinträchtigt oder sie geblendet. Auch Daylight + spiegelte sich nicht in den Autofenstern.

    In den EEG-Ergebnissen, Abbildung 5 , ist zu sehen, dass die durchschnittliche Alpha-Spindelrate im Daylight + -Zustand immer niedriger ist als im REF-Zustand. Die Unterschiede sind in der Morgenstudie am deutlichsten, in der eine Signifikanzanalyse einseitige p- Werte von 0,05 (Hinfahrt) und 0,02 (Rückfahrt) ( p gemäß Wilcoxon-Test, verwandte Stichprobe [6]) ergibt . Die Unterschiede sind am Nachmittag weniger deutlich (Hinfahrt: p = 0,27; Rückfahrt p = 0,23). Die Verringerung der Alpha-Spindelrate durch die Lichtanwendungen ist daher am Morgen signifikant. Folglich zeigt das EEG, dass die objektive Wachsamkeit im Daylight + -Zustand höher war als im REF-Zustand.
    Die durchschnittliche Alpha-Spindelrate, die in Segmenten über die Fahrt aufgetragen ist (oben); Die Daten für den Morgen werden hier als Beispiel dargestellt. Die durchschnittliche Alpha-Spindelrate während der Fahrt ist im REF-Zustand höher als im Daylight + -Zustand (unten) (© Mercedes-Benz).



    Die durchschnittliche Alpha-Spindelrate, die in Segmenten über die Fahrt aufgetragen ist (oben); Die Daten für den Morgen werden hier als Beispiel dargestellt. Die durchschnittliche Alpha-Spindelrate während der Fahrt ist im REF-Zustand höher als im Daylight + -Zustand (unten) (© Mercedes-Benz).


    Implementierung in der Serienentwicklung

    Basierend auf diesen erfolgreichen Daylight + -Studien wurde ein technisches Konzept für eine optimale Integration in ein Fahrzeug entwickelt. Zum einen bestand die Herausforderung darin, die ideale Einbaulage für die Lampe zu finden. Die Position sollte eine flache Lampe ermöglichen, und das Licht muss von oben in das Auge scheinen, um seine positiven Wirkungen hervorzurufen. Die Analyse des Raums um den Fahrer herum ergab, dass die Rückseite der Sonnenblende der am besten geeignete Ort für diesen Zweck ist. Neben den Installationsarbeiten ist andererseits das HMI-Konzept von zentraler Bedeutung: Die Beleuchtung soll automatisch angepasst werden, muss aber den Eindruck vermeiden, den Fahrer gleichzeitig zu bevormunden. Daher sind dem Benutzer mehrere Helligkeitsanpassungsmodi anzubieten.

    Basierend auf dieser umfassenden Untersuchung wurde die Daylight + -Technologie als produktionsnahes Konzept in das Mercedes-Benz Experimental Safety Vehicle ESF 2019 integriert ( Abbildung 6) . Dieses vitalisierende Innenlicht wurde in die Sonnenblende integriert und ist ein neues Schlüsselmerkmal für die Rundum-Fahrersicherheit.

    Im Forschungsfahrzeug ESF 2019 (links) ist das vitalisierende Innenlicht (rechts, in die Sonnenblende integriert) ein wichtiges Element der Allround-Fahrersicherheit (© Mercedes-Benz)


    Im Forschungsfahrzeug ESF 2019 (links) ist das vitalisierende Innenlicht (rechts, in die Sonnenblende integriert) ein wichtiges Element der Allround-Fahrersicherheit (© Mercedes-Benz)


    Zusammenfassung

    In dieser Forschungsarbeit wurden die Auswirkungen von melanopisch wirksamem Licht auf den Fahrer bei Tag in einem Personenkraftwagen untersucht. Dies beinhaltete zum ersten Mal echte Fahrten auf öffentlichen Straßen über mehrere Wochen in Süddeutschland. Die Auswirkungen des Lichts wurden auf drei Ebenen untersucht (technisch, psychologisch und physiologisch).

    Die verschiedenen Lichtanwendungen von Daylight + ermöglichten es während der Studie, eine Erhöhung der Lichtdosis an den Augen der Testpersonen um den Faktor 5 bis 6 zu erreichen. Dieses Wachstum basiert auf melanopisch wirksamem Licht mit einem hohen melanopischen Einflussfaktor. Gleichzeitig wurden störende Reflexionen und Blendungen der Probanden während der Fahrt verhindert. Subjektiv empfanden die Testpersonen die Beleuchtung als aktivierend und komfortabel. Das EEG zeigte positive Auswirkungen des Lichts auf die Testpersonen, die aufgrund der niedrigeren Alpha-Spindelrate objektiv aufmerksamer waren. Ein aufmerksamerer Fahrer kann besser und schneller auf kritische Verkehrssituationen reagieren, was die Sicherheit im Verkehr erhöhen kann.

    Daher wurde das Daylight + -System nach den Lkw-Studien in den Jahren 2015 [2] und 2017 [3] erfolgreich prototypisch in Personenkraftwagen integriert und zeigte auf allen untersuchten Ebenen durchweg positive Effekte.



    Verweise

    [1] Cajochen, C.: Alarmwirkung von Licht. In: Sleep Medicine Reviews 11 (2007), S. 453-464

    [2] Farkas, S.; et al.: Einfluss von biologisch aktivem Licht auf die leistungsbasierte Wachsamkeit und Wachsamkeit. ISAL-Konferenz, Darmstadt, September 2015

    [3] Schüler, S.; et al.: Integration einer Melanopic-Light-Einheit in einen LKW und Untersuchung ihrer Auswirkungen auf LKW-Fahrer unter realen Bedingungen. ISAL-Konferenz, Darmstadt, September 2017

    [4] Simon, M.; et al.: EEG-Alpha-Spindelmessungen als Indikatoren für die Ermüdung des Fahrers unter realen Verkehrsbedingungen. In: Clinical Neurophysiology 2011, Vol. 122, Nr. 6, S. 1168-78

    [5] DIN SPEC 5031-100:2015: Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik - Teil 100: Über das Auge vermittelte, melanopische Wirkung des Lichts auf den Menschen - Größen, Formelzeichen und Wirkspektren. Beuth, Berlin, 2015

    [6] Bortz, J.; Schuster, C.: Statistik für Human- und Sozialwissenschaftler. 7 th edition (2010). Heidelberg/Berlin: Springer, pp. 133-134

    [7] Daimler AG: TecDay: Mercedes-Benz Experimental-Sicherheits-Fahrzeug (ESF). Stuttgart, May 20, 2019

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