Weiterentwicklung bei Wearables.

Trend

Zunehmend kleinere Geräte

Kamen Wearables zunächst als medizinische Geräte zum Einsatz, geht die Entwicklung nun hin zu modischen Accessoires wie Fitnessarmbändern, Smart Watches, Smart Glasses und sogar GPS-fähigen Schuhen. Die Nachfrage nach all diesen Geräten steigt.

Wearables kommen bereits seit Jahrzehnten als Hörgeräte, Herzschrittmacher und andere medizinische Geräte zum Einsatz. Sie sind entsprechend weit verbreitet. Die Nutzung zahlreicher Unterhaltungselektronikprodukte entspricht nicht mehr vollständig der ursprünglichen Intention der Entwickler. Durch Verbraucherwünsche sind im Lauf der Zeit neue Funktionen hinzugekommen, beispielsweise bei Handys, die jetzt auch als tragbarer Musik-Player dienen und unterwegs Internetzugang bieten. Kamen Wearables zunächst als medizinische Geräte zum Einsatz, geht die Entwicklung nun hin zu modischen Accessoires wie Fitnessarmbändern, Smart Watches, Smart Glasses und sogar GPS-fähigen Schuhen. Die Nachfrage nach all diesen Geräten steigt.
Die Entwicklung im Bereich Wearables folgt hauptsächlich den Verbraucherwünschen und hat zahlreiche Anwendungen hervorgebracht:

  • Infotainment: Informationen und Unterhaltung, z .B Musik, Fotos, Videos, Wegbeschreibungen und E-Mail.
  • Activity Tracking: Überwachen von Aktivitäten und Funktionen wie Bewegung, Schlaf, Puls und Nahrungsaufnahme. Verbraucher erhalten direktes, wichtiges Feedback, anhand dessen sie ihr Verhalten ausrichten können.
  • Überwachung des Gesundheitszustands: Überwachung bereits diagnostizierter Erkrankungen und zukünftig auch Unterstützung bei der Diagnose. Aufgrund von gesetzlichen Vorschriften und Datenschutzbedenken sind die Entwicklungs- und Testphasen bei diesen Technologien vergleichsweise lang.
  • Industrie und Unternehmen: Hauptsächlich am Handgelenk getragene Geräte, die Echtzeitdaten zu Werksprozessen oder dem Lagerbestand liefern. Bei Smart Glasses und Smart Bands wird erwartet, dass diese bei Industriemitarbeitern ohne Büro rasche Verbreitung finden werden.
  • Militärsysteme: Hierzu gehören Systeme wie persönliche Netzwerke, Sensoren, externe Kommunikation und deren Bedienung. Eines der Ziele ist die Vernetzung der Soldaten innerhalb größerer Gefechtsszenarien. Daher sind langlebige und robuste Hochleistungssteckverbinder und Anschlusssysteme erforderlich, die jedoch leicht genug sein müssen, damit diese auch von der Infanterie mitgeführt werden können.
Fitnessarmbänder
Fitnessarmbänder
Smart Glasses
Smart Glasses
Smart Clothes
Smart Clothes
Medizin
Medizin

Wearables sind intelligente Elektronikgeräte, die Eingaben verarbeiten können und dem Anwender aussagekräftige Informationen liefern. So zeigen Fitnessarmbänder beispielsweise anhand der verarbeiteten Sensordaten die Anzahl der Schritte an, die der Anwender in einem bestimmten Zeitraum zurückgelegt hat. Dabei sind die Sensoren in der Lage, zwischen Schritten und anderen Bewegungen zu unterscheiden.

Sensoren

Sensoren sind ein wichtiger Bestandteil von Wearables und erreichen bei erweiterten Funktionen immer kleinere Abmessung. Es kommen zahlreiche unterschiedliche Sensortypen zum Einsatz. Am häufigsten werden Trägheitsnavigationssysteme verwendet, in der Regel in Form eines Beschleunigungsmessers. Mit einem Beschleunigungsmesser lassen sich Richtung, Intensität und Geschwindigkeit spezifischer Bewegungen erfassen. Ein bekanntes Beispiel für den Einsatz von Beschleunigungsmessern ist die automatische Ausrichtung (Ausgabe) des Displayinhalts beim Drehen eines Smartphones oder Tablets (Eingabe).
Weitere verbreitete Sensoren erfassen Druck, Temperatur, Position und Feuchtigkeit für Anwendungen wie Kompasse, GPS und Gyroskope zur Bewegungserkennung. Sensoren für medizinische Anwendungen messen und überwachen beispielsweise die Durchblutung, den Puls, den Blutdruck, den Sauerstoffgehalt im Blut sowie Muskelbewegungen, Körperfettanteil und Gewicht. Am erfolgreichsten sind Wearables, die Sensordaten mithilfe von Algorithmen in für den Anwender aussagekräftige Informationen umwandeln.

Kommunikation

Ein- und Ausgabe

Wearables müssen mit der Außenwelt kommunizieren können. Obwohl häufig Drahtlosverbindungen über Bluetooth und andere Funkprotokolle genutzt werden, sind in der Regel auch verdrahtete Verbindungen über einen USB-Anschluss erforderlich.

Stromversorgung

Zahlreiche Wearables verfügen über ein Display bzw. einen Touchscreen. Die Benutzerfreundlichkeit stellt bei diesen kleinen Displays eine erhebliche Herausforderung dar. Selbst die HD-Displays von Smart Watches bieten nur wenig Platz. Es gilt also, einen Kompromiss zwischen der Menge der auf dem Bildschirm anzuzeigenden Informationen und deren Lesbarkeit zu finden. Die Verringerung des Stromverbrauchs dieser Displays ist für die führenden Wearable-Hersteller einer der entscheidenden Aspekte. Sie setzen häufig auf stromsparende Alternativen wie z. B. E-Ink oder E-Paper anstelle von LCD- oder OLED-Displays. Wie alle elektronischen Geräte müssen auch Wearables über Akkus oder andere Methoden aufgeladen werden. Das Aufladen der Akkus erfordert in der Regel einen Stromanschluss. Da die Geräte oftmals wasserdicht sein müssen, gewinnt die Möglichkeit, Wearables drahtlos aufzuladen, zunehmend an Bedeutung. 

Verarbeitung

Eine weitere Gemeinsamkeit zahlreicher Wearables ist die Möglichkeit, mehrere Anwendungen parallel auszuführen, beispielsweise während eine App im Hintergrund aktualisiert oder geändert wird. Darin ähneln sich beispielsweise Smart Watch und Mobiltelefon. Es handelt sich um Computer, mit denen Anwender verschiedene Aufgaben erledigen können, während wichtige App-Updates und Downloads unabhängig über eine Internetverbindung ausgeführt werden.

Wearables gehören zum Internet der Dinge.  Das Internet der Dinge erweitert das Internet über den Menschen hinaus. So können Smartphones und Smart Watches beispielsweise Türen öffnen oder Thermostate und Alarmanlagen steuern – von überall auf der Welt aus.
Das Internet der Dinge funktioniert auch ohne Benutzereingriffe. So lässt sich eine Smart Watch so vorprogrammieren, dass sie morgens die Heizung hoch- und abends herunterschaltet oder die Wohnungstemperatur anhand der aktuellen Wettervorhersage anpasst.

Internetprotokoll überall

Der Schlüssel zum Internet der Dinge

Auch das Internet der Dinge basiert auf dem Internetprotokoll (IP). Beim IP handelt es sich um ein Kommunikationsprotokoll für Ethernet und Internet. Alle Geräte im Netz verfügen über IP-Adressen. Theoretisch kann jedes Gerät mit einer IP-Adresse mit allen anderen IP-Geräten kommunizieren. Welche Geräte tatsächlich miteinander kommunizieren können, wird über Firewalls, Kennwörter und andere Sicherheitsmaßnahmen gesteuert. Über ihre IP-Adresse sind Wearables Teil des Internets der Dinge.
Dies hat den Vorteil, dass es sich bei Wearables nicht unbedingt um eigenständige Geräte handeln muss. Aktivitätsdaten eines Fitnessarmbands können in eine App bzw. auf einen Computer heruntergeladen werden. Die App kann detaillierte Verlaufsdaten zusammenstellen und damit Fortschritte deutlich machen. Der Musik-Player in einer Smart Watch kann Songs über die Cloud streamen. Mithilfe von Wearables und dem Internet der Dinge sind Anwender vernetzt – mit Fernsehern, Wohnungen, Autos, Elektro- und Haushaltsgeräten sowie medizinischen Geräten, ganz einfach über kleine Geräte, die nah oder direkt am Körper getragen werden.

Wearables profitieren von der Miniaturisierung und Integration von Komponenten,  die extrem kompakten Geräten komplexe Funktionen ermöglichen. Sensoren, Chips, Kameras, Lautsprecher und andere Komponenten werden immer kleiner und zugleich leistungsfähiger.

Herausforderungen bei der Konfektionierung

Diese Komponenten unter Berücksichtigung der Herstellbarkeit in einem geeigneten Formfaktor unterzubringen, ist eine Herausforderung. Als führendes Unternehmen in Sachen Konnektivität arbeitet TE Connectivity eng mit Wearable-Entwicklern und -Herstellern zusammen. Abbildung 2 zeigt typische Steckverbinderlösungen für Smart Watches. Das Hauptmerkmal dieser und anderer Komponenten sind ein flaches Profil und eine möglichst kleine Grundfläche. Nur mit dem flachen Profil lassen sich auch flache Geräte verwirklichen. 

Abbildung 2 – Steckverbinderlösungen für Smart Watches

Abbildung 2 – Steckverbinderlösungen für Smart Watches

Die Integration der Bauteile vereinfacht nicht nur das System, sondern sorgt für eine optimale Raumnutzung, mit der sich die gewünschten minimalen Abmessungen erzielen lassen. Antennen lassen sich, wie in Abbildung 3 für ein Mobiltelefon dargestellt, direkt in das Gehäuse einbetten. Mithilfe dieser ausgeformten Verbindungsvorrichtungen und neuen Antennentechnologien lassen sich Leiterbahnen, Grundplatten und Abschirmungen in das Formteil integrieren. Beim Substrat kann es sich entweder um einen technischen Kunststoff oder einen Verbundstoff handeln. Verbundstoffe erfreuen sich aufgrund ihrer Stabilität sowie der kostengünstigen Formung und Metallbeschichtung wachsender Beliebtheit.

Abbildung 3 – Antennen und andere Schaltungsteile lassen sich in Kunststoffsubstrate integrieren.
Abbildung 3 – Antennen und andere Schaltungsteile lassen sich in Kunststoffsubstrate integrieren.

Zahlreiche Wearables sind für Sport oder anderen anspruchsvolle Aktivitäten bestimmt. Robustheit ist ein relatives Konzept und von der jeweiligen Anwendung abhängig. Ein Herzüberwachungsgerät stellt andere Anforderungen an Robustheit als der Activity Monitor eines Radfahrers. Wearables für den militärischen Bereich stellen wiederum ganz neue Anforderungen, da sie für einen größeren Temperaturbereich geeignet, stoß- und vibrationsbeständiger und resistent gegenüber Chemikalien oder Lösungsmitteln sein müssen, die ein Consumer-Gerät zerstören würden.
Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen ist bei Wearables gleichbedeutend mit Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit. Mit spritzwassergeschützten USB-Anschlüssen und Gummiabdeckungen lässt sich für eine gewisse Witterungsbeständigkeit sorgen, wasserdicht ist das Gerät deshalb jedoch noch lange nicht. Ziel der Entwicklung sind wasserdichte Gehäuse der Schutzklasse IP67/68. Der IP-Wert (Ingress Protection, Eindringschutz) gibt die Beständigkeit von Gehäusen gegenüber Umwelteinflüssen an. Wasserdichte Geräte sind nicht nur robuster, sie lassen sich auch vielfältiger verwenden. Neue Konzepte, z. B. das Laden ohne Kabel, setzen sich langsam durch.

Abbildung 4 – Magnetisch angeschlossenes Kabel
Abbildung 4 – Magnetisch angeschlossenes Kabel

Magnetisch angeschlossenes Kabel: USB- und ähnliche Steckverbinder werden mechanisch gesichert. Das in Abbildung 4 dargestellte alternative Konzept setzt hingegen auf Magneten und kabelseitig auf federgespannte Kontakte. Die geräteseitigen Kontakte und Magneten lassen sich abdichten und verhindern damit, dass Feuchtigkeit oder Flüssigkeit in das Gerät eindringt. Anders als bei Micro USB-Steckern halten die Magneten das Kabel in der richtigen Position.

Kontaktlose Datenverbindungen:  verwenden für Kabelsatz und Gerät Magnetbefestigungen und stellen eine drahtlose Verbindung über Transceiver her. Dieses Konzept eignet sich für Hochgeschwindigkeits-I/O-Protokolle wie USB 2.0 und 3.0. Die kurze Entfernung zwischen den Transceivern ermöglicht eine stromsparende Verbindung.

Drahtloses Aufladen:  Akkus können ohne Kabelanschluss aufgeladen werden. Für das drahtlose oder induktive Aufladen des Geräts kommen im Ladegerät Induktionsspulen und Steuerungselektronik zum Einsatz. Das von der Ladespule erzeugte elektromagnetische Feld ermöglicht wie bei einem Transformator das Übertragen der Energie auf die empfangende Spule. Zu den Vorteilen des drahtlosen Aufladens zählen:

  • Verbesserte Haltbarkeit: keine Abnutzung von Steckverbindern
  • Höhere Zuverlässigkeit: kein Eindringen von Verunreinigungen über einen Steckverbinderanschluss
  • Benutzerfreundlicher: keine umständlichen kleinen Steckverbinder
  • Flexibilität: Industriedesigner profitieren von mehr Freiheit beim Design
  • Mehr Lademöglichkeiten: Die Integration von Ladegeräten in Alltagsgegenstände ermöglicht es, Akkus ständig aufzuladen

Die Nachteile des drahtlosen Aufladens bestehen im geringeren Wirkungsgrad, einer größeren Wärmeentwicklung und dem langsameren Ladevorgang. All diese Probleme entstehen durch den Aufbau der Spulen und werden mit neuen Modellen und höheren Kopplungsfrequenzen beseitigt werden. Die meisten Wearables benötigen nur wenig Strom, sodass sich diese Nachteile kaum auswirken.

Ein weiterer Trend bei Wearables besteht in der Integration von Sensoren und Elektronik. Von Sport- bis hin zu Alltagskleidung finden solche Lösungen Anwendung. Die Herausforderung besteht darin, Kleidung mit Elektronikkomponenten zu entwickeln, die genauso bequem, flexibel und waschbar ist wie andere Kleidungsstücke. Die Zusammenschaltungen und Elektronikkomponenten müssen dezent und gleichzeitig robust sein. Um dies zu gewährleisten, sind folgende Aspekte erforderlich:

  • Zuverlässige, isolierte, robuste und wasserdichte Anschlüsse
  • Flexible, auf die Kleidung abgestimmte Antennen- und Transceiverlösungen
  • Dehnbarer, leitfähiger und isolierter Draht
  • Kleine, trocknungsfähige Batterien
  • Leiterplatten/FPCs, die keine Falten werfen

Wearables sollen Anwendern im Alltag nützliche Daten liefern. Ob am Handgelenk, auf dem Kopf oder am Fuß: Wearables müssen modisch, robust und einfach wiederaufladbar sein.