Ein Hamster-Pedometer mit dem Raspberry Pi aufbauen

© Vassily Vishnevskiy, Eleonora Vatel, 123RF

Cricetidometer

Forscher behaupten, dass Hamster in einer Nacht das Hamsteräquivalent von bis zu vier Marathons zurücklegen. Mit einem umgebauten Lesekopf eines Videorekorders, einem Hallsensor und einem RasPi fühlen wir dieser Behauptung auf den Zahn.

Letztes Jahr fand ein junges Roborowski-Zwerghamster-Pärchen [1] 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 zunahm und sich deshalb nun Hamtaro Grande nennt. Schon in den ersten Wochen erwiesen sich die beiden Roborowskis als wahre Athleten: Sie drehen ununterbrochen im Hamsterrad ihre Runden – selbstverständlich immer gerade dann, wenn man versucht einzuschlafen und das Quietschen des Rads wachhält.

Neugier und Wissensdurst verführten die Autorin zu einigen Rechercherunden im Internet. Dort liest man, dass gerade Roborowskis (Abbildung 1) zu den aktivsten Wühlerarten (Familie Cricetidae) überhaupt gehören und jede Nacht das Hamsteräquivalent zu vier menschlichen Marathons zurücklegen [2]. 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 RasPi als Messgerät auf den Zahn zu fühlen.

Abbildung 1: Die zwei Versuchshamster mit dem wissenschaftlichen Namen Phodopus roborovskii: Hamtaro und Hamtaro Grande.

Cricetidometer

Als ersten Schritt 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. Dazu kam die kugelgelagerte Kopftrommel eines ausrangierten Videorekorders zum Einsatz, mit deren Hilfe das Hamsterrad rund und fast komplett lautlos läuft [3]. Als Nächstes galt es, das Cricetidometer zu entwickeln, das als netzwerkfähiges Pedometer die Laufstrecke der Roborowskis protokollieren soll.

Als Fan freier Software und von Recycling nutzt die Autorin in ihren Designs wo immer möglich Open-Source-Software und wiederverwertete Teile. So stammen viele der verbauten Komponenten (siehe Tabelle "Zutatenliste") aus den Abfallkörben des Hacker-Spaces CRASH Space in Los Angeles [4]. Die quelloffene Software Fritzing [5] diente zum Entwurf der benötigten Schaltungen (Abbildung 2). Die entsprechenden Modelle und den Quellcode zu den im Rahmen dieses Projekts entstandenen Programmen finden Sie auf Github [6].

Abbildung 2: Beim Entwickeln der Schaltung kommt die Open-Source-Elektrotechnik-App Fritzing zum Einsatz.

Zutatenliste

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 [9]

Neodym-Eisen-Bor-Magnet oder ähnlich.

LED

Optional für Benachrichtigungen und Debugging.

Adafruit Pi Header

Jumperkabel

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 (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der fliegende Aufbau des Cricetidometers im Überblick. Der Videorekorderkopf hängt, wie auch der Hallsensor, am Käfig. Der Raspberry Pi übernimmt das Auswerten der Daten.

Die Beobachtung der Hamster zeigt, dass diese 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.

Hamstermarathon

Die englischsprachige Wikipedia behauptet unter Berufung auf eine BBC-Dokumentation, dass Roborowskis jeden Tag vier Marathons zurücklegen. 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 Zentimeter pro Schritt.

Welchen Weg legt ein Hamster bei einer Umdrehung des Hamsterrads zurück? Das Cricetidometer zählt die Umdrehungen des Hamsterrads. Von daher gilt es sicherzustellen, 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 Pi ergibt sich daraus eine Länge von rund 47,8 Zentimeter.

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 besaß, ließ sich das Vorhaben noch leichter umsetzen (Abbildung 4). Aus der Analyse des Videos in Zeitlupe ergabt sich als mittlere Schrittlänge ein Wert von fast exakt 5 Zentimeter (Abbildung 5).

Abbildung 4: Eine aufgezeichnete Skala auf dem transparenten Boden des Hamsterkäfigs erlaubt das Ausmessen der Hamsterschritte.
Abbildung 5: Die Auswertung der Zeitlupe verrät die Schrittlänge eines Hamsters von etwa 0,166 ft oder umgerechnet etwa 5 cm.

Nun lässt sich die gesuchte Hamstermarathonstrecke problemlos errechnen. Die Länge eines Marathonlaufs beträgt 42,195 Kilometer, was bei einer durchschnittlichen Schrittlänge von 67 Zentimeter rund 62978 Schritten entspricht. Ein Hamster mit einer Schrittlänge von 5 Zentimeter 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.

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    Bei der Arbeit mit strukturierten Textdateien bietet Miller eine clevere Alternative zu herkömmlichen Werkzeugen wie Grep, Cut, Sed und anderen.