Die Herausforderungen bei der Wearable-Elektronik

Wearable-Elektronik wird schon seit Jahrzehnten als Hörgeräte, Herzschrittmacher und andere medizinische Geräte, die in der heutigen Gesellschaft üblich sind, verwendet. Tatsächlich wurden viele Geräte der Unterhaltungselektronik, wie Handys, die manchmal als tragbare Musik-Player getragen werden, ursprünglich nicht als solche entwickelt, wurden aber basierend auf den Bedürfnissen der Verbraucher nach mobiler Funktionalität und Konnektivität angepasst. Die Wearable-Elektronik hat sich von lebensrettenden Geräten zu Mode-Accessoires entwickelt und reicht von Aktivitätsmonitor-Armbändern, intelligenten Uhren und intelligenten Brillen bis zu GPS-fähigen Schuhen. Und alle diese Geräte erfreuen sich jetzt einer wachsenden Marktnachfrage.

Abbildung 1: Intelligente Wearable-Elektronik

Die Entwicklung von Wearable-Elektronik ist in erster Linie auf die Nachfrage der Kunden zurückzuführen. Inzwischen gibt es eine große Bandbreite tragbarer Anwendungen, u. a.:

Infotainment: Verwendung für Information und Unterhaltung, z. B. Musik, Fotos, Videos, Richtungsanweisungen und E-Mail.

Aktivitätskontrolle: Verwendung zur Überwachung von Aktivitäten und Funktionen, z. B. Laufen, Schlafen, Herzfrequenz und Nahrungsmittelaufnahme, um einzelnen Personen sofortiges und wichtiges Feedback zu geben, woraufhin sie ihr Verhalten anpassen können.

Überwachung der Gesundheit: Verwendung zur Überwachung eines diagnostizierten Zustands, bald auch zur Unterstützung der Diagnose, wobei aufgrund von gesetzlichen Anforderungen und Datenschutzproblemen eine längere Entwicklungs- und Testphase für eine derartige Technologie erforderlich wird.

Industrie und Unternehmen: Die Anwendungen beziehen sich in erster Linie auf am Handgelenk tragbare Endgeräte, über die Echtzeitdaten übertragen werden, u. a. zur Überwachung von Werksprozessen und Aktualisierung von Lagerbeständen. Intelligente Brillen und Armbänder werden wahrscheinlich schnell angepasst, um ein ferngesteuertes und „schreibtischloses“ Arbeiten in industriellen Umgebungen zu ermöglichen.

Militärsysteme: Integration persönlicher Netzwerke, Sensoren, externer Kommunikation und Funktionen zur Verwaltung dieser Systeme. Ein Ziel ist es, Soldaten in größeren Kampfgebieten zu verbinden, und zwar mit Steckern und Kabeln, die Subsysteme verbinden, die leistungsstark, langlebig und robust sowie gleichzeitig leicht sein müssen, damit sie von Soldaten problemlos getragen werden können, die zu Fuß unterwegs sind.

Definition von Wearable-Elektronik

Ein Wearable-Elektronikgerät ist ein intelligentes Gerät, das Informationen aufnehmen, verarbeiten und bestimmte Ausgaben hervorbringen kann. Eine Funktion eines Aktivitätenarmbands ist beispielsweise die Aufnahme von Rohdaten von einem Sensor, die Verarbeitung dieser Daten und Erzeugung eines Berichts aus der Anzahl von Schritten, die in einem bestimmten Zeitraum gelaufen werden. Die Sensoren verfolgen Bewegungen mit ausreichend Intelligenz, um zwischen Schritten und anderen Bewegungen zu unterscheiden.

Sensoren sind ein wichtiger Bestandteil von Wearable-Elektronik und werden immer kleiner und anspruchsvoller. Inzwischen gibt es zwar viele Arten von Sensoren, die eingesetzt werden können, am häufigsten kommt jedoch eine Trägheitsmesseinheit zum Einsatz, i. d. R. ein Beschleunigungsmesser. Ein Beschleunigungsmesser kann eine bestimmte Bewegung, die Richtung und Intensität bzw. Geschwindigkeit messen. Ein einfaches Beispiel eines Beschleunigungsmessers: Ein Smartphone oder Tablet wird gedreht (Eingabe), das Gerät verarbeitet die Bewegung und dreht auch den Bildschirm entsprechend (Ausgabe).

Andere häufig eingesetzte Sensoren messen Druck, Temperatur, Position und Luftfeuchtigkeit und unterstützen Anwendungen wie Kompasse, GPS und Gyroskope zur Erkennung von Bewegung. Sensoren in medizinischen Anwendungen können zur Messung und Überwachung von Durchblutung, Puls, Blutdruck, Blutsauerstoffwerten, Muskelbewegung, Körperfett und Gewicht eingesetzt werden. Die erfolgreichsten tragbaren Elektronikgeräte verwenden Algorithmen, die Rohdaten, d. h. erfasste Daten, in ausführbare und sinnvolle Ergebnisse für den Benutzer umwandeln.

Wearable-Elektronikgeräte müssen mit der Außenwelt kommunizieren können. Eine kabellose Verbindung über Kurzstreckenfunk oder andere kabellose Protokolle sind zwar beliebt, allerdings ist eine kabelgebundene Verbindung über einen USB-Anschluss häufig erforderlich.

Viele Wearables verfügen über ein Videodisplay oder einen Touchscreen für die Interaktion des Benutzers. Eine wichtige Herausforderung für diese kleinen Displays ist die Benutzerfreundlichkeit. Auch ein Display mit hoher Auflösung an einer intelligenten Uhr bietet keine große Bedienungsfläche. Bei der Umsetzung der Bedienbarkeit muss abgestimmt werden, wie viel Inhalt auf einen Bildschirm passt und wie gut lesbar die daraus hervorgehenden Ausgaben sind. Die Verwaltung des Stromverbrauchs dieser Displays ist ein wichtiger Antrieb für führende Hersteller von Wearables. Sie geben immer häufiger Optionen mit geringem Stromverbrauch (z. B. e-ink oder e-paper) den Vorzug vor farbigen LCD- oder OLED-Displays. Wie jedes andere elektronische Gerät werden auch Wearables von wiederaufladbaren Batterien oder über andere Lademethoden gespeist. Dafür ist in der Regel ein Anschluss erforderlich, über den die Wiederaufladung der Batterien erfolgen kann. Eine Neuentwicklung stellt die kabellose Stromübertragung dar, die in neue Wearable-Elektronikgeräte eingebunden werden soll und eine wasserdichte Umsetzung erfordert.

Ein weiteres Markenzeichen von Wearables ist die Fähigkeit, eine Vielzahl von Anwendungen auszuführen, während eine App aktualisiert oder geändert wird. Eine Smart-Watch ist beispielsweise mit einem Smartphone vergleichbar. Es handelt sich um einen Computer, der dem Träger die Möglichkeit gibt, eine Vielzahl von Aufgaben auszuführen, während unabhängig davon eine Verbindung zum Internet hergestellt wird, um kritische App-Updates und Downloads durchzuführen.

Wearable-Elektronik ist ein Teilbereich des Internet of Things (IoT). IoT bezeichnet die Migration des Internet über die Nutzer hinaus. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von Smartphone oder Uhr zum ferngesteuerten Aufschließen eines Hauses/einer Wohnung, zur Kontrolle des Thermostat, zur Aktivierung oder Deaktivierung eines Sicherheitssystems, von einem beliebigen Ort auf der Welt.

Das IoT kann jedoch auch ohne den Eingriff von Benutzern funktionieren. Eine intelligente Uhr kann vorprogrammiert werden, um die Heizung in kühlen Morgenstunden an- und am Abend wieder abzuschalten, um den Wetterbericht zu verfolgen und die Temperaturen im Haus/in der Wohnung entsprechend anzupassen.

Der Schlüsselfaktor im IoT ist die Verwendung des Internetprotokoll (IP). IP ist ein Kommunikationsprotokoll, das über Ethernet und dem Internet zur Steuerung des Informationsflusses verwendet wird. Jedes angebundene Gerät verfügt über eine IP-Adresse. Jedes Gerät mit einer IP-Adresse kann mit jedem anderen Gerät mit IP-Adresse kommunizieren. Firewalls, Passwörter und andere Sicherheitsmaßnahmen steuern die Art der Kommunikation unter den Geräten. Wearable-Elektronikgeräte sind dank IP-Adresse ebenfalls Teil des IoT.

Ein Vorteil, den die Zugehörigkeit zum IoT mit sich bringt, ist, dass Wearable-Elektronikgeräte keine eigenständigen Geräte sein müssen. Aktivitätsdaten von einem Fitnessarmband können in eine App oder auf einen Computer geladen werden. Diese App bietet eine detaillierte Analyse der Trends im Laufe der Zeit, um Fortschritte zu verfolgen. Der Musikplayer in einer Uhr kann Musik aus einer Cloud abrufen. Dies führt letztendlich dazu, dass Menschen überall mit Dingen interagieren können, z. B. mit Fernsehern, Wohnungen, Autos, Haushaltsgeräten und medizinischen Geräten - und all das nur wegen eines kleinen Geräts, das wir nah oder direkt am Körper tragen und mit dem wir so Teil der Welt der Wearable-Elektronik und des IoT werden.

Wearable-Elektronikgeräte werden durch die Miniaturisierung und Integration von Bauteilen möglich, die die Einbindung leistungsstarker Funktionen auf einem sehr kleinen Raum ermöglichen. Sensoren, Computerchips, Kameras, Lautsprecher und andere Bauteile werden immer kleiner und immer leistungsfähiger.

Die Verpackung dieser Bauteile mit dem richtigen Formfaktor und für eine sinnvolle Umsetzbarkeit in der Fertigung ist eine große Herausforderung. Als führender Anbieter im Bereich Konnektivität arbeitet TE Connectivity eng mit Designern und Herstellern von Wearable-Elektronikgeräten zusammen. Abbildung 2 zeigt eine typische Anschlusslösung für eine intelligente Uhr. Bei den meisten dieser Geräte und auch bei anderen Komponenten steht ein geringes Profil mit einer niedrigen Basisfläche im Vordergrund. Das geringe Profil ist von großer Bedeutung, da das Gerät dadurch selbst ein schlankes Design aufweisen kann.

Abbildung 2: Anschlusslösungen für intelligente Uhren

Wenn die verfügbare Fläche begrenzt ist, sorgt die Integration von Bauteilen nicht nur für eine Vereinfachung des Systems, sondern auch für eine maximale Effizienz bei der Platzausnutzung. Antennen können direkt in das Gehäuse eingebettet werden (siehe Abbildung 3 in einem Smartphone). Dank dieser Molded Interconnect Devices (MIDs) und neuer gedruckter Antennentechnologien können Leiterbahnen, Masseflächen und Abschirmung in ein geformtes Teil integriert werden. Das Substrat kann ein gefertigter Kunststoff oder ein Verbundstoff sein. Verbundstoffe werden immer attraktiver, da sie eine Kombination von Materialstärke und kosteneffektiver Formung und Metallisierung ermöglichen.

Abbildung 3: Antennen und andere Schaltkreiselemente können in Kunststoffsubstrate eingebettet werden.

Viele tragbare Systeme wurden für den Einsatz beim Sport und für andere anspruchsvolle Aktivitäten entwickelt. Robustheit als Konzept ist relativ und kann nur in Bezug auf jede Anwendung definiert werden. Die geforderte Robustheit eines Herzmonitors unterscheidet sich von der eines Aktivitätenmonitors, der von einem Radfahrer getragen wird. Wearables für den militärischen Bereich erfordern dagegen eine völlig andere Robustheit, d. h. größere Temperaturbereiche, eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Erschütterungen und Vibrationen sowie auch gegen Chemikalien oder Lösungsmittel, die ein Unterhaltungselektronikgerät zerstören würden.

Durch eine bessere Widerstandsfähigkeit von Wearables gegenüber umweltbezogenen Gefahren werden diese Geräte zuverlässiger und leichter einsetzbar. Eine gewisse Witterungsbeständigkeit kann durch spritzwassergeschützte USB-Port- und Gummiabdeckungen erreicht werden. Allerdings wird dadurch noch keine Wasserdichtheit erreicht. Designers bemühen sich, Öffnungen an Geräten zu schließen, um die Dichtheit der Schutzklasse IP67/68 für wasserdichte Ausführungen zu erreichen. Über Schutzklassen (Ingress Protection, IP) wird der Schutz des Gehäuses eines elektronischen Geräts vor Umwelteinflüssen definiert. Durch Wasserdichtheit wird nicht nur ein robusteres Design, sondern auch eine bessere Bedienungsfreundlichkeit erreicht. Einige Ansätze, wie z. B. kabellose Stromübertragung, stoßen derzeit auf den Markt.

Magnetisch verbundenes Kabel: USB und ähnliche Stecker nutzen Friktionshaftung, um Stecker zu verbinden. Ein alternativer Ansatz wird in Abbildung 4 dargestellt. Er verwendet Magnete zur Positionierung des Steckers und gefederte Kontakte auf der Kabelseite. Die Kontakte und Magnete am Gerät können versiegelt werden, um das Eintreten von Flüssigkeiten und Feuchtigkeit ins Gerät zu vermeiden. Im Gegensatz zu Mikro-USB-Steckern sorgen die Magnete dafür, das Kabel in eine entsprechende Position zu bringen.

Abbildung 4: Magnetisch verbundenes Kabel

Kontaktlose Datenverbindungen: Verwenden magnetische Befestigungen und Transceiver in Gerät- und Kabelbaugruppen, um eine kabellose Verbindung zu erzeugen. Mit diesem Ansatz können E/A-Protokolle mit hoher Geschwindigkeit (z. B. USB 2.0 und 3.0) unterstützt werden. Durch den kurzen Abstand der Transceiver wird eine leistungsstarke Verbindung hergestellt.

Kabelloses Laden: Batterien können ohne direkte elektrische Verbindung geladen werden. Beim kabellosen Laden oder induktiven Laden werden Induktionsspulen in der Ladeeinheit und Elektronik für die Ladung der Geräte verwendet. Im durch die Ladespule erzeugten elektromagnetischen Feld kann Energie an die Empfängerspule übertragen werden, die als Wandler funktioniert. Die Vorteile des kabellosen Ladens lauten u. a.:

• Bessere Langlebigkeit: kein Verschleiß an Steckern
• Bessere Zuverlässigkeit: keine Steckerbuchse, über die Kontaminanten eintreten können
• Leichte Verwendung: keine kleinen Stecker, die verbunden werden müssen
• Gestalterische Freiheit: Designer von Industrieanwendungen können neue und untypische Geräteformen ohne Einschränkung entwickeln
• Längere Einsatzzeit: Aufgrund der Einbindung von Leistungstransmittern in herkömmlichen Objekten können Geräte kontinuierlich geladen werden.

Die Nachteile des kabellosen Ladens beinhalten eine geringere Effizienz, eine höhere Wärmeentwicklung und einen langsameren Ladezyklus. Alle diese Probleme sind miteinander verbunden und werden durch neuere Spulenstrukturen und höhere Kupplungsfrequenzen verbessert. Die meisten Wearable-Geräte benötigen nur sehr wenig Leistung, d. h. die Auswirkungen dieser Nachteile können minimal sein.

Ein weiterer Trend im Bereich Wearables ist das Einbetten von Sensoren und Elektronik in Textilien - von spezialisierter Sportbekleidung bis hin zu Alltagskleidung. Die Herausforderung besteht darin, elektronische Kleidung zu entwickeln, die wie andere Kleidung verwendet werden kann und gleichzeitig bequem, flexibel und waschbar ist. Verbindungen und die Elektronik müssen unauffällig und robust sein. Dies erfordert:

• zuverlässige Anschlüsse, die isoliert, robust und wasserdicht sind
• flexible, stoffbasierte Antennen- und Transceiver-Lösungen
• dehnbare und leitfähige isolierte Drähte
• kleine, trockenfähige Batterien
• falt- und quetsch-beständige PCB/FPCs

Die Herausforderung auf dem Markt für Wearables besteht darin, Geräte zu entwickeln, die nützliche Daten zur Erleichterung unseres tagtäglichen Lebens bereitstellen. Unabhängig davon, ob sie am Handgelenk, am Kopf oder Fuß getragen werden: Wearables müssen modisch, robust und leicht wiederaufladbar sein.