Männliche Hand trägt intelligenten Handschuh und zeigt mit dem Arm auf ein Schild mit Barcode

Mit dem intelligente Handschuh können Produktions- und Logistik-Mitarbeiter schneller, sicherer und einfacher arbeiten. Prozessschritte lassen sich freihändig durch das 2D-Barcode-Scanmodul dokumentieren. - Bild: ProGlove

| von Sabine Spinnarke

Da wären beispielsweise Thermogeneratoren, winzige Energielieferanten, von denen es bei Infineon heißt: „Sie könnten bald das leidige Thema Batterien erledigen.“ Oder der Chip im Pullover, der der Waschmaschine signalisiert, bei welcher Temperatur er zu waschen ist – ebenfalls eine Infineon-Idee.

Flex, ein 200 000-Mann starker EMS- und Elektronikentwicklungs-Dienstleister, experimentiert mit in Stoffen eingewebter Elektronik in Unterwäsche, Arbeitskleidung, Schmuck, Jacken oder Handtaschen.

Harald Bader, Director Business Development, Flex, schwärmt von den neuen 'Smart Textiles': „Eine Jacke mit beleuchteten Buchstaben – waschmaschinen und bügelfest. Oder ein intelligenter Patch auf der Brust eines Patienten, der dessen Vitaldaten durchgängig überwacht, sodass der Patient im Krankenhaus nachts nicht mehr geweckt werden muss.

Es könnte ein Wearable am Handgelenk sein, das das Auto entriegeln kann, oder ein Navigationssystem, das mit der Smartwatch synchronisiert ist.“

MEMS-Sensoren bei Bosch

Filigranste Elektronik lässt sich heute in (fast) jedes Wunsch-Produkt integrieren. „An dieser Stelle ist die Einbildungskraft die einzige Einschränkung“, so Bader.

Ebenfalls erfolgreich auf diesem Markt unterwegs ist Bosch Sensortec. Seit 11 Jahren stellt die Bosch Tochter sogenannte MEMS-Sensoren her – in Miniatursystemen ist man also erfahren. Jeanne Forget-Funk, Vice President Marketing, kann sich ein T-Shirt mit integrierten Bewegungssensoren vorstellen, das die Sitzhaltung des Trägers korrigiert, oder einen Sport-BH, der den Herzschlag misst. „Seit zwei, drei Jahren werden Wearables für Bosch immer wichtiger“, so Forget-Funk.

In Wellen gelang es den Herstellern immer wieder, neue Wearable-Produktgenerationen auf den Markt zu bringen: „Die Smart Watches kamen als erstes auf den Markt, sie waren klein und smart. In einer nächsten Welle bekamen sie 'Sinne'. Wir integrierten MEMS-Sensoren für Druck und Beschleunigung. Damit konnten die Wearables Bewegungen und Positionen messen. Das bescherte uns eine Flut an Fitnessarmbändern.

Inzwischen sind wir bei der nächsten Welle der intelligenten Miniatursysteme angelangt: Wir erweiterten die 'Sinne' der Wearables, zum Beispiel um Sensoren für Luftqualität oder Vision-Sensoren. Das heißt, die Devices können nun auch sehen und riechen“, so die Marketingmanagerin, „Jetzt warten wir nur noch darauf, dass sie hübscher werden“, fügt sie lächelnd hinzu. Außerdem wandern sie vom Handgelenk zum Kopf, wo sie in Form von Brillen optische und akustische Aufgaben erfüllen können.

Audi experimentiert mit Scanner-Handschuh

Mit den hinzugewonnenen Funktionen werden die Wearables nun auch für die Industrie und Medizin immer interessanter. „Wir spüren eine erhöhte Nachfrage im Automobil- und Medizinbereich“, bestätigt Bader.

So experimentiert zum Beispiel Audi mit einem Scanner-Handschuh, der den Mitarbeitern der internationalen Logistik im Audi Werk Ingolstadt die Arbeit erleichtern soll: der Handschuh 'ProGlove' besitzt einen eingearbeiteten Barcode Scanner und vereinfacht den Teileversand. Der Mitarbeiter hat beide Hände frei und kann ergonomischer arbeiten. Nach einer vierwöchigen Pilotphase verwenden die Audi Mitarbeiter nun zehn dieser Wearables am Standort Ingolstadt.

Smart Watches und Fitness-Armbänder

Eine breitere Verwendung in der Industrie gibt es bislang jedoch nicht. Unter www.vandrico.com listet ein kanadisches Portal zwar über 500 Wearable Devices quer über alle Branchen auf. Doch bei den angebotenen Produkten handelt es sich zu einem Großteil um Uhren und Armbänder.

„Im Augenblick sehen wir viele Markt-Aktivitäten bei Smart Watches oder Fitness- und Aktivitäts-Armbänder“, beobachtet auch Bader. Außerdem bewertet ein zu jeder Gerätebeschreibung gestelltes Netzdiagramm unter anderem die Einzigartigkeit und den Nutzwert des jeweiligen Wearables – und die sind beide vielfach noch gering. Angeboten werden die Geräte in der Regel in Verbindung mit einer App fürs Smartphone.

Vendrico betreibt die nach eigenen Angaben umfangreichste Wearable-Datenbank weltweit. Die Devices sind übersichtlich nach Zielbranche und zugeordnetem Körperteil gelistet.

Vielfach handelt es sich um Versuchsballons, um Forschungsprojekte. Diese allerdings betreibt fast jeder größere Halbleiterhersteller. Bei Infineon arbeitet ein sechsköpfiges Team aus der Forschungsabteilung für Emerging Technologies daran, High-Tech und Textilien miteinander zu verbinden. Bei Texas Instruments gibt es diverse Chips und Boards für Wearable-Entwickler zu kaufen.

Mann mit Kapuzenjacke im Hintergrund, Wearables und Earables von Infineon im Vordergrund
Ein Anwendungsbeispiel Infineons ist ein Audio-Modul, das fertigungsgerecht in die Kleidung eingearbeitet werden kann. - Bild Infineon

Das monetäre Marktpotenzial schätzen die Experten unterschiedlich ein. So heißt es bei Markets and Markets, der globale Wearable Elektronik Markt hätte bereits 2012 2,5 Mrd US-Dollar betragen. „Er ist anerkanntermaßen einer der am schnellsten wachsenden Märkte dieses Planeten“, sagen die Markets and Markets-Experten, „es wird geschätzt, dass die Wearable Elektronik Industrie eindrucksvolle 8 Mrd US-Dollar 2018 erreichen wird.“

IDC, eine weitere auf den Halbleitermarkt spezialisierte Beratung, jongliert mit höheren Summen: „Im vergangenen Jahr betrug das Marktvolumen für Wearables 13,4 Mrd US-Dollar und im Jahr 2019 wird er auf das Dreifache angewachsen sein, auf 44 Mrd US-Dollar.“ IDC erwartet außerdem 237 Mio Devices, die noch in diesem Jahr ausgeliefert werden. „Es handelt sich also um einen großen Markt, der sich schnell und nachhaltig entwickelt“, fasst der Flex Manager zusammen, aus dessen Produktion nach eigener Aussage heute etwa 75 Prozent des weltweiten Bedarfs stammen. Bosch Sensortec allein will bis 2020 insgesamt 250.000 Devices auf den Markt gebracht haben. Die Erwartungen aller an den Markt sind hoch.

Was sind Wearables?

Wearables sind elektronische Miniatursysteme, die man am oder im Körper tragen kann. Mit Walkmans und Hörgeräten, aber auch Herzschrittmachern gab es in den 70er Jahren die ersten Wearables. Inzwischen sind sie dank Miniaturisierung, Kommunikationsmöglichkeiten der Bausteine und kostengünstiger App-Technologie weiter verbreitet.

Bekannt sind vor allem die Fitness-Armbänder und Smartwatches. Um weitere Produkte zu entwickeln, betreiben nicht nur Unternehmen aus der Computerbranche einen erhöhten Forschungsaufwand.

Hohe Dynamik herrscht derzeit in der Medizintechnik (Smart Medicine). Mit Augmented Reality-Brillen haben Wearables auch im industriellen Umfeld Einzug gehalten. Man spricht etwa von Smart Textiles, Smart Glasses oder Smart Watches.

In 2016 betrug das Marktvolumen für Wearables laut Marktforschungsunternehmen IDC 13,4 Mrd US-Dollar und im Jahr 2019 wird es auf das Dreifache angewachsen sein, auf 44 Mrd US-Dollar. IDC erwartet außerdem 237 Mio Devices, die in 2017 ausgeliefert werden.

Technologisch ist die Batterieleistung derzeit das größte Problem, doch auch Elektronik und Wasser sind natürliche Feinde der Elektronik und können großen Schaden anrichten.

Außerdem fehlt derzeit vielen Produkten noch der Nutzwert.

Wearables in der Medizin

Gasmesspillen des Royal Melbourne Institute of Technology (MIT) zwischen Zeigefinger und Daumen gehalten
Smart Medicine: Die Gasmesspillen des Royal Melbourne Institute of Technology (MIT) werden geschluckt. Im Darm angekommen, messen sie Darmgase und senden die Daten an ein Mobiltelefon. - Bild: MIT

Viele Unternehmen wollen von ihm profitieren. Gerade in der Medizintechnik: Die Minisysteme können injiziert, geschluckt oder implantiert werden. Die Vitalfunktionen, die sie aufzeichnen, könnten für Diagnosezwecke oder Notfallmaßnahmen genutzt werden – könnten – denn noch gibt es weder solide Tests, Bewertungen noch Standards für Wearables im Medizinbereich. Und Mediziner fürchten schon heute, demnächst mit Hunderten von Patienten konfrontiert zu werden, die beunruhigt in die nächste Sprechstunde kommen, sobald ihre Vital-App sich meldet. Die Folge: Verwirrung und unnötige Sorgen auf beiden Seiten.

Wie sinnvoll sind Wearables?

Und ein Ärgerniss für Unternehmen wie Flex, die schon länger auf dem Gebiet tätig sind: „Wearables werden häufig von Unternehmen auf den Markt gebracht, die nur die Verkaufszahlen in die Höhe treiben wollen. Das ist problematisch, wenn diese Unternehmen aus der Konsumerbranche stammen und nun in der Medizintechnik 'herum-dilettieren'. Das verscheucht die Patienten“, sagt John Carlson, President Flex Medical Solutions. „Nur wenn diese Technologie in der Lage ist, ein vorhandenes Problem sinnvoll zu lösen, bringt sie das voran,“ ergänzt Bader.

Dr. Johannes Kreuzer, Mitarbeiter des Münchner Start-ups Cosinuss spricht von einem "besseren Leben", das die Technologie dem potenziellen Nutzer bescheren sollte. Cosinuss entwickelt am Ohr tragbare Sensoren und Algorithmen zur Erfassung von Vitalparametern. Produkt-Innovationen für 'das bessere Leben' erwarteten auch die Besucher einer Diskussionsveranstaltung zum Thema.

„Die Killerapp für den Blutdruck wird schon so lange diskutiert und ist immer noch nicht da“, empörte sich dort ein Besucher. Ein einfacher zuverlässiger Wear­able-Blutdruckmesser würde einen großen Gewinn für Patienten bedeuten, aber auf dem Markt sei nichts Brauchbares verfügbar, so der Besucher.

Sensoren im Ohr

Dabei spielt sicherlich eine Rolle, dass noch nicht alle technischen Probleme gelöst sind. So machen den Herstellern die Akkus und deren Laufzeiten weiterhin Probleme.

„Die Sportbrille arbeitet einen Tag, bevor sie wieder aufgeladen werden muss“, berichtet Funk-Forget, „unser Ziel ist es, den Zeitrahmen auf fünf bis sieben Tage zu verlängern. Eine Vision, die wir in zwei, drei Jahren umgesetzt haben werden“, da ist die Bosch Sensortec-Mitarbeiterin zuversichtlich.

Für Wearables werden in der Regel kleine LiPolymer-Batterien oder LiCoin-Akkus genutzt. Kniffelig wird es laut Flex, wenn die Batterie flexibel sein soll, das Gerät wasserdicht und außerdem noch mehrere Sensoren untergebracht werden müssen: „Das Gerät braucht all dies, um seinen Job durchzuführen. All diese Faktoren müssen in einem ästhetischen Design untergebracht werden“, sagt Bader – ein Spagat für die Hersteller.

Allen Widrigkeiten zum Trotz taucht bereits eine neue Welle am Horizont auf: „Nach den Wearables kommen nun die Earables “, so Funk-Forget. Die Earables zeichne eine Konvergenz zwischen Hörhilfe und Wearable aus. Eine integrierte Geräuschunterdrückung mache sie besonders attraktiv. Mit ihnen nähere sich das 'x-able' seiner Vervollkommnung: „Wearables müssen möglichst unsichtbar sein, man darf sie nicht spüren und sie müssen dem Anwender wertvolle Empfehlungen geben“, zählt Funk-Forget die Rahmenbedingungen für ein erfolgreiches Wearable-Projekt auf.

Mikrodisplay

Mann trägt Datenbrille, Schutzanzug ud Handschuhe und arbeitet an Schläuche
Datenbrille für Mensch-Maschine-Interaktion. - Bild: Fraunhofer FEP

Mit den am Fraunhofer FEP entwickelten sogenannten 'bi-direktionalen' OLED-Mikrodisplays lassen sich die Funktionalitäten eines 'Wearable Displays' mit einer hands-free Augensteuerung für die Nutzung u. a. in Augmented-Reality-Anwendungen verbinden.

„Blickgesteuerte Augmented-Reality-Datenbrillen können mit unseren OLED-Mikrodisplays verhältnismäßig klein und leicht gestaltet werden, da Display und Bildsensor in einem Chip integriert sind. Zur Entwicklung eigener Produkte steht unseren Kunden nun eine verbesserte Entwicklungsplattform zur Verfügung“, erklärt Judith Baumgarten, Projektleiterin am Fraunhofer FEP.

Die Datenbrille entstand im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt FAIR. Ziel war es, Datenbrillen für die Mensch-Maschine-Interaktion zu entwickeln, deren Steuerung – basierend auf visuellen Informationen – über die Erfassung und Auswertung von Blickbewegungen erfolgt.

Thermogeneratoren

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Thermorezeptoren zur Stromerzeugung. - Bild: Infineon

Ein wesentliches Kriterium für die komfortable Integration von Elektronik in intelligente Textilien ist eine sehr geringe Leistungsaufnahme, ein ausgefeiltes Power-Management und eine innovative Stromversorgung.

Vor diesem Hintergrund demonstrierte Infineon das Konzept eines Thermogenerators, der die Körperwärme zur Stromversorgung elektronischer Komponenten nutzt. Ziel dieses Ansatzes sind letztendlich Bekleidungs-Applikationen ohne Batterie.

Miniaturisierte Thermogeneratoren können die Temperaturdifferenz zwischen der Körperoberfläche und der umgebenden Kleidung zur Erzeugung von elektrischer Energie nutzen. Dieses Prinzip wurde bereits in speziellen Applikationen wie etwa der Raumfahrt eingesetzt. Neue thermoelektrische Materialien, reduzierte Leistungsaufnahme der Chips und geringere Produktionskosten erschließen nun ein erweitertes Anwendungsfeld.

Sensorhub

MEMS-Sensoren
MEMS-Sensoren - Bild: Bosch

Die neuen Bosch Sensortec MEMS-Sensoren BHI160 und BHA250 mit integriertem Mikrocontroller für Android-Smartphones erreichen minimalen Energieverbrauch für 'Always-On'-Apps wie Fitness-Tracking, Indoor-Navigation oder Gestenerkennung. Diese Sensor-Hubs ermöglichen es, Sensordaten direkt zu verarbeiten und lokal zwischenzuspeichern.

Der Hauptprozessor eines Mobilgeräts muss nicht mehr aktiviert werden, nur um Sensordaten zu verarbeiten. Der Stromverbrauch für 'Always-On'-Anwendungen in Smartphones kann so um bis zu 95 Prozent gesenkt und damit die Akkulaufzeit deutlich verlängert werden – ein wichtiges Verkaufsargument für Smartphone-Anbieter.

Die Sensor-Hubs BHI160 und BHA250 integrieren die branchenführenden 3- oder 6-achsigen MEMS-Inertialsensoren mit dem neuen DSP 'Fuser Core' von Bosch Sensortec.

Der BHI160 ist die energieeffizienteste Lösung in diesem Applikations-Segment und verbraucht weniger als 1,55 mA für eine 9-achsige Sensor-Fusion. Diese Größe beinhaltet dabei bereits das Gesamtsystem bestehend aus Fuser Core, integriertem Beschleunigungssensor, Gyroskop und einem externen Magnetometer. 3,0 x 3,0 x 0,95 mm.

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