Jugend forscht: Bad Windsheimer legt sich mit Sprachassistenten an

Obernzenn - Sprachassistenten wie Alexa und Google Home boomen - obwohl sie oft fehleranfällig sind. Für ein Seminar hat der Bad Windsheimer Tom Gaimann die Sicherheit der Geräte auf die Probe gestellt. Ob sein Ergebnis die Jury des Forschungswettbewerbs "Jugend forscht" überzeugt?

"Alexa, wie lässt du dich hacken?" Auf diese Frage erwidert der Sprachassistent von Amazon nur: "Entschuldigung, das weiß ich leider nicht." Der 18-jährige Schüler des Georg-Wilhelm-Steller Gymnasiums in Bad Windsheim, Tom Gaimann, gab sich mit dieser Antwort nicht zufrieden. In einem Experiment hat er die Sicherheit des Geräts auf die Probe gestellt. Das Ergebnis ist erhellend - nicht nur aus technischer Perspektive.

Sprachassistenten sollen das Leben erleichtern. Die kleinen Boxen heißen Alexa oder Google Home und können Sprache verstehen, zu Information verarbeiten und eine Reaktionen auslösen. Damit liefern sie Antworten auf Fragen oder lösen eine Bestellung bei Lieferdienst aus. Die Geräte haben es Tom seit einigen Jahren angetan. Vor zwei Jahren hat er für Amazons Alexa einen "Skill" programmiert, also eine App, die durch Zuruf aktiviert wird. Über eine Millionen Mal wurde sie aufgerufen. Bei der Anwendung konnte man Alexa Fragen stellen, worauf sie mit Zitaten der magischen Miesmuschel aus der amerikanischen Zeichentrickserie Spongebob antwortete.

In Toms Hacking-Projekt wurde es schon ernster. Sein Ziel war, den Sprachassistenten mit Hilfe von Licht zu manipulieren. Auf die Idee dazu brachte ihn ein Youtube-Video. "Das wurde mir genau in der Zeit vorgeschlagen, in der ich nach einem Thema für seiner W-Seminararbeit in der Schule gesucht habe", erzählt Tom. Lehrer Dr. Stefan Bärthlein war von der Idee begeistert. Ihm ist Tom schon bei einem Projekt in der elften Klasse aufgefallen. "Die Schüler sollten Referate halten und Tom war der einzige, der einen praktischen Versuch mitgebracht hat. Da dachte ich mir schon: Der kann was."

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18.11.2020, 15:38 Uhr

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Doch schon zu Beginn gab es Hürden. Für das Experiment benötigte Tom mehrere Mikrophone und Laser, die er sich selbst besorgen musste. Außerdem erlaube seine Schule keine Laser über ein Milliwatt. "Ich hatte schon Angst, dass es aufgrund der geringen Leistung nicht klappt", erzählt Tom. Er hatte Glück, es funktionierte trotzdem.

Hacking für zuhause

Zunächst untersuchte Tom verschiedene Mikrophone. Die sind in Sprachassistenten verbaut und dafür zuständig, dass Sprache erkannt wird. Und das funktioniert so: Beim Sprechen entsteht Schalldruck. Trifft dieser auf ein Mikrophon, fängt eine darin verbaute Membran an zu schwingen. Dadurch entsteht Spannung, die Information zu dem Inhalt des Gesagten enthält. Diese wird schließlich als Audiodatei an Alexa weitergegeben. Tom hat in seinem Experiment versucht, diese Schwingungen durch Licht zu erzeugen. "Richtet man einen Laserstrahl direkt auf die Öffnung des Mikrophons, ergeben sich durch das Licht leichte Temperaturveränderungen ", erklärt Tom. Und siehe da: Es klappt. "Sogar mit einer handelsüblichen Glühbirne tritt der Effekt ein."

So sieht ein Mikrophon von innen aus. Wenn die "Mems"-Membran durch Schall zum Schwingen gebracht wird, entsteht Spannung, die Information vermittelt.  © Grafik: Tom Gaimann

400-Euro-Gerät kam zu spät

Der Nachweis ist dem Schüler geglückt, aber was heißt das nun? "Viele Sprachassistenten sind beispielsweise mit Schlössern verbunden. Stehen sie am Fenster, könnte man theoretisch von außen mit einem Lichtstrahl die Garagentüre öffnen", erzählt Tom. Konkrete Anweisungen konnte er dem Sprachassistent allerdings noch nicht geben. Dazu fehlte ein Gerät, mit dem die Intensität des Lasers verändert werden kann. Wie amerikanische Wissenschaftler bereits herausfanden, könnte damit Sprache vorgetäuscht werden. Fast hätte Tom das 400-Euro-teure Gerät sogar bekommen, ein Förderantrag bei "Jugend forscht" wurde bewilligt. Allerdings konnte es nicht mehr rechtzeitig geliefert werden.

Sieht kompliziert aus, ist aber im Grunde ganz einfach: Rechts ist ein Laser befestigt, der einen Lichtstrahl an das Mikrophon links sendet. © Tom Gaimann

"Rückschläge gab es zur Genüge"

Kurz vor Abgabe war Tom täglich mindestens fünf Stunden in dem Keller der Familie mit dem Experiment beschäftigt. Eine Woche vor dem Termin ging Tom dann noch ein Laser kaputt. Aber er hatte Glück, das neue Teil fand schnell genug seinen Weg nach Obernzenn. "Rückschläge gab es zur Genüge", sagt Tom heute. Aber es hat sich gelohnt, so sieht es sein Lehrer: "Im Vergleich zu den anderen Projekten, ragt Toms heraus wie ein Leuchtturm. So eine Arbeit wird uns nur alle drei bis vier Jahre abgeliefert." Im Erlanger Schülerforschungszentrums, in dem Tom bei der Auswertung seiner Daten geholfen wurde, hat man ihm geraten, das Projekt bei "Jugend forscht" einzureichen.

Wie geht es weiter?

Am 3. März findet der mittelfränkische Regionalentscheid von "Jugend forscht" online statt. Dort wird Tom sein Projekt vorstellen. Weiter daran experimentiert er daran momentan nicht. "Wegen dem anstehenden Abiturprüfungen bleibt keine Zeit für Basteleien", erklärt er. Für ein Studium oder eine Ausbildung könnte er sich einen Mix aus Informatik und Elektrotechnik vorstellen. "Dass er in der Oberstufe Biologie statt Physik gewählt hat, bereute ich jetzt ein bisschen".