Cricetidometer mit Raspberry Pi: Ein Schrittzähler für den Hamster
Hamster ziehen es vor, tagsüber im Nest zu bleiben. In der Dämmerung und nachts entwickeln sie hingegen einen starken Bewegungsdrang. Doch wie aktiv sind sie dann eigentlich? Mit einem selbst gebauten Cricetidometer klären wir die Frage, ob sie selbst die besten Marathonläufer toppen.
Im vergangenen Jahr fand ein junges Roborowski-Zwerghamster-Pärchen(öffnet im neuen Fenster) in den vier Wänden der Autorin ein neues Zuhause. Anfangs glichen sich die zwei wie ein Ei dem anderen, und so bekamen beide den Namen Hamtaro. Gut anderthalb Jahre später haben sich die zwei prächtig entwickelt, wobei die eine Hamsterdame deutlich stärker an Gewicht zulegte und deshalb nun Hamtaro Grande heißt. Schon in den ersten Wochen erwiesen sich die beiden Roborowskis als wahre Athleten: Sie drehten ununterbrochen im Hamsterrad ihre Runden - selbstverständlich immer gerade dann, wenn man versucht einzuschlafen und einen das Quietschen des Rads wachhält.
Konstruktion des Pedometers
Neugier und Wissensdurst verführten die Autorin zu einiger Recherche im Internet. Dort liest man, dass gerade Roborowskis zu den aktivsten Wühlerarten (Familie Cricetidae ) überhaupt gehören und jede Nacht das Hamsteräquivalent zu vier menschlichen Marathons(öffnet im neuen Fenster) zurücklegen. Diese Aussage brachte die Autorin ins Grübeln: Welche Strecke entspricht für einen Hamster überhaupt einem Marathon? Und meistern die kleinen Nager tatsächlich vier solcher Langstreckenläufe pro Nacht? Eine Aufgabe, an der selbst Hochleistungssportler scheitern würden? Mit diesen Fragen im Hinterkopf fiel die Entscheidung, den Hamstern mit ein wenig Wissenschaft und einem Raspberry Pi als Messgerät auf den Zahn zu fühlen.
Zuerst galt es, das Laufrad besser zu lagern - nicht nur, um das Quietschen zu minimieren, sondern auch um den Hamstern eine möglichst reibungsfreie Endlosrennbahn zu bieten. Dabei kam die kugelgelagerte Kopftrommel eines ausrangierten Videorekorders(öffnet im neuen Fenster) zum Einsatz, mit deren Hilfe das Hamsterrad rund und fast komplett lautlos läuft. Dann wurde ein Cricetidometer entwickelt, das als netzwerkfähiges Pedometer die Laufstrecke der Roborowskis protokollieren sollte.
| Komponente | Anmerkung |
|---|---|
| Raspberry Pi | Das Cricetidometer kommt mit wenig Rechenleistung aus, es genügt ein RasPi der ersten Generation. |
| RasPi-Zubehör | Monitor, Maus, Netzwerk- und HDMI-Kabel, Netzteil, Steckplatine ("Breadboard") mit selbstklebender Rückseite |
| Hallsensor | - |
| Seltenerdmagnet | Neodym-Eisen-Bor-Magnet oder Ähnliches |
| LED | Optional für Benachrichtigungen und Debugging |
| Adafruit Pi Header | - |
| Jumperkabel | - |
Als Fan freier Software und von Recycling nutzt die Autorin in ihren Designs möglichst Open-Source-Software und wiederverwertete Teile. So stammen viele der verbauten Komponenten aus den Abfallkörben des Hacker-Spaces Crash Space(öffnet im neuen Fenster) in Los Angeles. Die quelloffene Software Fritzing(öffnet im neuen Fenster) diente zum Entwurf der benötigten Schaltungen. Die entsprechenden Modelle und der Quellcode zu den im Rahmen dieses Projekts entstandenen Programmen sind auf Github zu finden(öffnet im neuen Fenster) .
Die Hauptfunktion des Schaltkreises besteht darin, die Schwankungen im Signal des Hallsensors zu erfassen, sobald der Magnet diesen passiert. Zum Zählen der Umdrehungen des Hamsterrads findet der Neodym-Magnet daher auf der Achse des Videorekorderkopfs seinen Platz, der Sensor wird fest am Käfig montiert. Das Aufzeichnen der Rotationen und alle weiteren Berechnungen übernimmt ein Raspberry Pi - die Rechenleistung eines RasPi der ersten Generation genügt dazu vollkommen.
Die Beobachtung der Hamster zeigt, dass sie dazu neigen, innerhalb einer kurzen Zeitspanne mehrfach auf das Rad auf- und schnell wieder abzuspringen. Daher erfolgt die Datenaufzeichnung in "Sprints": Sobald der Sensor eine Bewegung des Hamsterrads registriert, startet die Messung eines neuen Sprints. Nach dem ersten Durchgang protokolliert die Software jede weitere Umdrehung des Rads mit einem Zeitstempel. Sobald der Sensor fünf Sekunden lang keine weitere Umdrehung meldet, beendet das Messprogramm den aktuellen Sprint und schreibt die Daten in eine SQLite-Datenbank.
Wie lang ist ein Hamsterschritt?
Die englischsprachige Wikipedia behauptet unter Berufung auf eine BBC-Dokumentation, dass Roborowskis jeden Tag vier Marathons zurücklegen würden. Gemeint sind freilich nicht viermal 42,195 Kilometer, sondern die für Hamster äquivalente Strecke unter Einbeziehung der entsprechend kleineren Schrittlänge des Tiers. Hier gilt es also, zunächst die Frage zu klären, welcher Distanz das eigentlich entspricht.
Nehmen wir einmal an, dass ein Mensch x Schritte für einen Marathon benötigt: Die Länge eines Hamstermarathons ergibt sich dann aus der Summe von x durchschnittlich langen Tippelschritten eines Hamsters mal der Hamsterschrittlänge h. Zum Bestimmen von x und h gilt es nun, einige Fragen zu klären.
Wie weit kommt ein durchschnittlicher Mensch mit einem Schritt? Dazu finden sich im Web zahlreiche Informationen. Da es sich bei beiden Hamstern um Weibchen handelt, muss man hier wohl die durchschnittliche Schrittlänge von Frauen wählen. Im Durchschnitt rechnen diverse Webseiten mit einer zurückgelegten Wegstrecke von 67 Zentimetern pro Schritt.
Knapp 48 Zentimeter pro Umdrehung
Welchen Weg legt ein Hamster bei einer Umdrehung des Hamsterrads zurück? Das Cricetidometer zählt die Umdrehungen des Hamsterrads. Von daher muss sichergestellt werden, dass wir die im Rad zurückgelegte Distanz korrekt umrechnen. Der Innendurchmesser des Rads beträgt in etwa 15,2 Zentimeter. Mit der Umkreisformel D = 2 x r x P ergibt sich daraus eine Länge von rund 47,8 Zentimetern.
Wie lang ist der durchschnittliche Schritt eines Roborowski-Hamsters? Diese Frage lässt sich nun nicht mehr ganz so einfach klären. Aus unerfindlichen Gründen beschäftigt sich kaum ein Forscher mit diesem Thema. Nach etwas Brainstorming und der Konsultation von Bekannten kristallisierte sich als praktikabelste Lösung die folgende heraus: Man setzt den Hamster auf eine Glasscheibe, auf der eine Skala aufgetragen wurde, und filmt das Tier dann von unten beim Laufen. So lässt sich die Schrittlänge leicht aus dem entstandenen Video bestimmen, ohne den Nager zu stören. Da der Hamsterkäfig sowieso einen transparenten Boden besitzt, ließ sich das Vorhaben noch leichter umsetzen. Aus der Analyse des Videos in Zeitlupe ergab sich als mittlere Schrittlänge ein Wert von fast exakt 5 Zentimetern.
Nun lässt sich die gesuchte Hamstermarathonstrecke problemlos errechnen. Die Länge eines Marathonlaufs beträgt 42,195 Kilometer, was bei einer durchschnittlichen Schrittlänge von 67 Zentimetern rund 62.978 Schritten entspricht. Ein Hamster mit einer Schrittlänge von 5 Zentimetern muss also 3,15 Kilometer zurücklegen, um ein Marathonäquivalent zu absolvieren. Stimmt die Behauptung aus Wikipedia, müsste der Hamster also pro Nacht mehr als 12,5 Kilometer zurücklegen.
Auswertung
Das Hosting der Daten erfolgte bei ThingSpeak(öffnet im neuen Fenster) . Der Dienst bietet eine bezahlbare und offene Plattform, um Internet-of-Things-Daten zu hosten und direkt im Web zu veröffentlichen. Über eine API lassen sich die Daten bequem zu ThingSpeak hochladen und von dort dann als CSV-Datei exportieren oder als Live-Daten freigeben. So stehen auch die Live-Daten des Cricetidometer online zur Verfügung(öffnet im neuen Fenster) . Zur Verarbeitung der Daten diente eine Reihe von in Python geschriebenen Skripten, die Messdaten speicherte das System in einer SQLite-Datenbank.
Die Auswertung der Daten zeigt, dass es sich bei den Roborowskis um wahre Ausdauerspezialisten handelt. Ein Marathon pro Nacht stillt regelmäßig nicht annähernd ihren Bewegungsdrang. An vielen Tagen drehen sie an die 500 Runden pro Sprint im Hamsterrad und legen dabei bis zu 4,5 Meilen zurück, also etwa 7,25 Kilometer. Rechnet man das um, laufen die Zwerghamster locker eine Distanz von zwei Hamstermarathons täglich, ein Mensch müsste äquivalent dazu fast 100 Kilometer zurücklegen. Auf die Sprintphasen folgen bei den Hamstern aber auch immer wieder Ruhephasen mit weniger Aktivität.
Die anvisierten vier Marathons erreichen die beiden Hamtaros jedoch nicht. Vielleicht sind sie einfach zu bequem oder zu alt, eventuell stimmen aber auch schlicht die Angaben bei Wikipedia nicht. Die ermittelten Daten beweisen dennoch eine beeindruckende Leistung für solch ein kleines Tier.
Neben ihrer Tätigkeit als Software-Entwicklerin in Los Angeles engagiert sich Michelle Leonhart als Vizepräsidentin im Hackerspace Crash Space. In der Vergangenheit arbeitete sie mit den MythBusters zusammen und unterrichtete an verschiedenen Institutionen Schüler, Studenten und Erwachsene in Informatik und Elektrotechnik. Die passionierte Code- und Systementwicklerin versucht zudem, Schülerinnen für den Ingenieursberuf zu motivieren.
Dieser Artikel erschien zuerst in der aktuellen Ausgabe 1/2016 des Magazins Raspberry Pi Geek(öffnet im neuen Fenster) . Es ist im Handel erhältlich.