Digital human-centered augmentation technologies

Villa, Steeven (2025): Digital human-centered augmentation technologies. Dissertation, LMU München: Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik

Abstract

Our senses, cognition, and physical capabilities have long been bound by biological constraints. Not anymore. Augmentation technologies, from wearable haptics to AI-driven cognitive support are expanding human potential in ways once imagined only in science fiction. But with these new capabilities come new questions: How does augmentation affect decision-making and risk-taking? How do others perceive augmented humans? This thesis addresses these points by not only studying augmented human behavior and perceptions but also developing functional prototypes to explore augmentation in real-world applications. Here I explore the design of human augmentation technologies through the dual lenses of autonomy and heteronomy, investigating the interplay between internal and external influences on the augmented human and its decision-making processes. For autonomy, I examine how augmentation technologies impact individual decision-making and behavior. Specifically, I focus on risk-taking and the sense of agency, demonstrating that the mere presence or even the belief in the presence of augmentation technologies significantly affects human behavior and the attribution of responsibility at both behavioral and physiological levels. For heteronomy, I explore how external societal factors influence the decision-making of augmented individuals. By examining societal attitudes toward augmented humans across different cultural contexts, this work identifies key factors shaping public perceptions of augmentation technologies and presents a standardized methodology for measuring these attitudes over time. This includes the development and validation of the SHAPE scale, a psychometric tool designed to assess societal acceptance of human augmentation. Finally, I investigate how individuals experience human augmentations, examining the boundaries between augmentation and learning. In this context, I further explore the potential of Virtual Reality as a platform to prototype and study augmented human experiences, providing insights into how these technologies can be integrated meaningfully into human life. Beyond these behavioral and societal perspectives, this thesis also contributes to the technical foundations of human augmentation. A central part of this work involves the development of functional augmentation prototypes. These include wearable haptic feedback systems for sensory, cognitive and motor augmentation and interactive VR environments to study augmentation experiences in controlled settings. The contributions of this thesis span from understanding individual behaviors to societal perceptions and technical artifacts in human augmentation. As augmentation technologies become increasingly plausible, this work provides researchers and practitioners with a human-centered framework for designing augmentation systems that harmoniously integrate into human life.

Abstract

Unsere Sinne, unsere Kognition und unsere körperlichen Fähigkeiten waren lange Zeit durch biologische Grenzen definiert. Doch das ändert sich. Augmentierungstechnologien – von tragbarer haptischer Rückkopplung bis hin zu KI-gestützter kognitiver Unterstützung – erweitern menschliche Fähigkeiten auf eine Weise, die einst nur in der Science-Fiction vorstellbar war. Doch mit diesen neuen Möglichkeiten entstehen auch neue Fragen: Wie beeinflusst Augmentierung Entscheidungsprozesse und Risikoverhalten? Wie werden augmentierte Menschen von der Gesellschaft wahrgenommen? Diese Arbeit untersucht diese Aspekte nicht nur durch empirische Studien zum Verhalten und zu den Wahrnehmungen augmentierter Menschen, sondern auch durch die Entwicklung funktionaler Prototypen, die Augmentierung in realen Anwendungsszenarien erfahrbar machen. Diese Dissertation erforscht die Gestaltung von Augmentierungstechnologien aus zwei Perspektiven: Autonomie und Heteronomie. Dabei wird untersucht, wie interne und externe Faktoren die Entscheidungsfindung von augmentierten Individuen beeinflussen. Im Bereich der Autonomie analysiere ich, wie Augmentierungstechnologien individuelle Entscheidungsprozesse und Verhaltensweisen verändern. Besonders im Fokus stehen Risikobereitschaft und das Gefühl der Handlungskontrolle (Agency). Die Ergebnisse zeigen, dass bereits die bloße Anwesenheit – oder sogar nur der Glaube an die Anwesenheit – von Augmentierungstechnologien das Verhalten und die Zuschreibung von Verantwortung sowohl auf kognitiver als auch auf physiologischer Ebene signifikant beeinflusst. Im Bereich der Heteronomie untersuche ich, wie gesellschaftliche Faktoren die Entscheidungsprozesse von augmentierten Individuen formen. Durch die Analyse sozialer Einstellungen gegenüber augmentierten Menschen in verschiedenen kulturellen Kontexten identifiziere ich zentrale Faktoren, die öffentliche Wahrnehmungen von Augmentierungstechnologien prägen. Dies beinhaltet auch die Entwicklung und Validierung der SHAPE-Skala, eines psychometrischen Instruments zur Messung der gesellschaftlichen Akzeptanz von Augmentierungstechnologien über die Zeit. Darüber hinaus untersuchen wir, wie Individuen Augmentierung erleben und wo die Grenzen zwischen Augmentierung und Lernen verlaufen. In diesem Zusammenhang wird insbesondere das Potenzial von Virtual Reality als Plattform zur Prototypisierung und Erforschung augmentierter Erfahrungen erforscht, um zu verstehen, wie diese Technologien sinnvoll in das menschliche Leben integriert werden können. Neben diesen verhaltenswissenschaftlichen und gesellschaftlichen Perspektiven leistet diese Arbeit auch technologische Beiträge zur Augmentierungsforschung. Ein zentraler Bestandteil ist die Entwicklung funktionaler Augmentierungsprototypen. Dazu gehören tragbare haptische Feedback-Systeme für sensorische, kognitive und motorische Augmentierung sowie interaktive Virtual-Reality-Umgebungen (VR), in denen Augmentierungserfahrungen unter kontrollierten Bedingungen untersucht werden. Durch den Einsatz von VR als Forschungsplattform können digitale Simulationen als Testumgebungen für die Entwicklung zukünftiger Augmentierungstechnologien genutzt werden. Die Erkenntnisse dieser Dissertation reichen von der Analyse individuellen Verhaltens über gesellschaftliche Wahrnehmungen bis hin zur Entwicklung technischer Artefakte in der Augmentierungsforschung. Während Augmentierungstechnologien zunehmend realisierbar werden, bietet diese Arbeit Forschenden und Praktiker:innen ein menschenzentriertes Rahmenwerk zur Gestaltung von Augmentierungssystemen, die sich nahtlos in das menschliche Leben integrieren. Indem sie es Individuen ermöglichen, ihre natürlichen Fähigkeiten zu erweitern, während gleichzeitig eine verantwortungsbewusste Innovation sichergestellt wird, ebnet diese Forschung den Weg für eine Zukunft, in der Technologie das Menschsein bereichert, anstatt es zu ersetzen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Human Augmentation, HCI, Computer Science, AI, EMS
• Themengebiete: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft ; 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
• Fakultäten: Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 31. Juli 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Schmidt, Albrecht