Etwa seit dem Jahr 2010 macht eine neue Geräteklasse in größerem Maßstab von sich reden: Sogenannte Wearables sind elektronische Kleingeräte, die mittels integrierter Sensorik physische, physiologische sowie Umgebungsdaten messen können. In hochentwickelten Ländern liegt der Anteil der Nutzer bereits bei etwa 20 bis 25 Prozent, Tendenz steigend. Wearables sind vielfältig und innovativ: Neben den weitverbreiteten Fitness-Trackern und Smartwatches gibt es auch smarte Kleidung (E-Textilien) und medizinische Wearables im engeren Sinne. Auch Gadgets in Form von Datenbrillen, Ringen, Halsketten, Handschuhen und Schuhen gehören dazu.
Ebenso weitgefächert sind die Anwendungsbereiche: Von der Überwachung der Gesundheit (z.B. Herzfrequenz, EKG, Schlafmonitoring) über Sport und Fitness (Schrittzähler, Kalorienverbrauch, Sauerstoffsättigung im Blut etc.) bis hin zu speziellen Einsatzzwecken in der Industrie (Exoskelette, Belastungsmessung), Medizin (Sensorpflaster, smarte Inhalatoren etc.) und beim Militär (Vitalparameter-Tracking bei Soldaten).
Welche Technologie steckt hinter Wearables?
In jedem Wearable stecken verschiedene Sensoren zur Bewegungserkennung. Beschleunigungssensoren erfassen Bewegungen in den drei Raumachsen; Gyroskope messen Drehbewegungen; GPS, GNSS und barometrische Höhenmesser sammeln Daten über die Position im (dreidimensionalen) Raum. Zu diesen physischen Sensoren gehören auch Temperatur- und UV-Sensoren, die weitere Umgebungsdaten beisteuern.
Um darüber hinaus physiologische Daten wie Herzfrequenz, Kalorienverbrauch oder bestimmte Gehirnaktivitäten zu messen, sind spezielle Sensortechnologien erforderlich. Sogenannte PPG-Sensoren (Photoplethysmographie) arbeiten mit LEDs am Wearable, die Licht durch die Haut schicken und anhand der Reflexion den Puls bestimmen können. Ähnlich funktioniert ein Pulsoxymeter: Aus den Wellenlängen des reflektierten Lichts lässt sich die Sauerstoffsättigung im Blut bestimmen. Noch in der Entwicklung sind tragbare Bioimpedanzsensoren, die Aufschluss über die Körperzusammensetzung geben (Fett, Wasser, Muskeln etc.). Wegen der hochfrequenten Signale ist der Energiebedarf solcher Sensoren höher, was Herausforderungen bei der Integration in ein Wearable mit sich bringt.
Wearables werden oft in Verbindung mit dem Smartphone genutzt („Companion“), können jedoch auch unabhängig davon betrieben werden. In jedem Fall erforderlich sind spezielle Verbindungstechnologien, die eine Datenübertragung an andere Systeme ermöglichen. Eine besondere Rolle spielt hier Bluetooth Low Energy (BLE), das sich als energiesparende und kosteneffiziente Technologie für Entfernungen bis etwa zehn Meter erwiesen hat. Aber auch WLAN, NFC und Zigbee werden für die Vernetzung von Wearables verwendet.
Welche Herausforderungen gibt es
bei Herstellung und Nutzung?
Wearables treiben die Miniaturisierung von Sensoren und Schaltkreisen voran beziehungsweise wurden dadurch überhaupt erst möglich. Vieles spielt sich im Bereich weniger Millimeter ab – so gibt es bereits Ringe, die versprechen, ein umfassendes Bild der Gesundheit des Trägers zu liefern – und erfordert entsprechende Kompetenzen sowohl in der Fertigung als auch beim Testen. Häufig kommen, zum Beispiel bei smarter Kleidung, flexible Leiterbahnen zum Einsatz, die spezielles Know-how erfordern. Sehr kleine Raster und flexible, elastische Substrate benötigen innovative und fortschrittliche Prüftechnologien. Auch die Prüfung von Hochfrequenz-Signalübertragungen und Funktionstests unter den realen Bedingungen am Körper (Bewegung, Wärme, unerwünschte elektrochemische Effekte etc.) können anspruchsvoll sein. Angesichts des zunehmenden Bedarfs an großen Stückzahlen und der gleichzeitig geforderten Reduzierung der Herstellungskosten wird eine teil- bzw. vollautomatisierte Produktionsweise zunehmend erforderlich. Als Partner für die Technologie der Zukunft arbeitet INGUN laufend daran, Prüfmittel und Testtechnologien weiterzuentwickeln, um automatisierte, berührungslose und hybride Tests auch für Wearables zu ermöglichen.
Eine Herausforderung im Betrieb stellt die Energieversorgung von Wearables dar. Um laufend Echtzeitdaten erfassen zu können, sind lange Akkulaufzeiten und geringer Energieverbrauch gefragt bei gleichzeitig stark limitiertem Platzangebot für die Integration einer Batterie. Unterstützen können hier Methoden des sogenannten Energy Harvesting: In Wearables verbaute Nanogeneratoren erzeugen Strom aus der Umgebung oder der Nähe zum menschlichen Körper. Die entsprechenden Technologien sind noch in der Entwicklung und reichen von Mikro-Photovoltaik über Bio-Brennstoffzellen (z.B. Energiegewinnung aus Schweiß) bis hin zur Energiegewinnung aus Bewegung und Berührung (piezoelektrisch oder triboelektrisch); auch die Nutzung der Luftfeuchtigkeit (hydroelektrischer Effekt) wird erforscht.
Kritisch ist auch das Thema Datensicherheit. Wearables sammeln sensible körperbezogene Daten, die nicht in die falschen Hände oder an die Öffentlichkeit geraten sollten. Wie unter anderen das Bundesamt für die Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) warnt, kann ein Identitäts- oder Datendiebstahl zu finanziellen Schäden und Imageverlust führen. Im medizinischen Bereich besteht darüber hinaus die Gefahr der Manipulation der auf dem Wearable angezeigten Daten – mit der Folge ernsthafter Gesundheitsgefährdung, zum Beispiel bei der Selbstmedikation. Das BSI rät daher, auf sichere Hard- und Software von Wearables zu achten und bei der Nutzung bewusst Sicherheitsrisiken zu berücksichtigen (z.B. bei der Vernetzung mit anderen Geräten).
Wearables und KI – eine „natürliche“ Symbiose?
Die Zusammenführung von Wearables mit künstlicher Intelligenz liegt auf der Hand und ist bereits in vollem Gange. Viele Hersteller sind dabei, Algorithmen in ihre Geräte zu integrieren – so wird das Fitnessarmband zum „Personal Coach“ und die Smartwatch zum „Life Coach“. Werden mehr und mehr Sensordaten zusammengeführt und von der KI ganzheitlich analysiert, ergeben sich daraus immer konkretere Handlungsempfehlungen, die individuell auf den Nutzer zugeschnitten sind und ihn bald besser kennen als er sich selbst. Eine Hoffnung ist zum Beispiel, dass Wearables durch KI interessanter für Frauen werden, da sie deren physiologische Besonderheiten und Bedürfnisse besser verstehen und berücksichtigen.
Auf der anderen Seite potenzieren sich die oben beschriebenen Aspekte der Datensicherheit und Validität von Wearables: Was ist, wenn die KI „lügt“ oder „sich irrt“? Je mehr die KI über den Nutzer weiß, desto bedrohlicher wird auch ein Datendiebstahl. Und je mehr sich der Anwender auf ‚seine‘ KI verlässt, desto gravierender werden die Beratungs- und Gesundheitsrisiken bei Manipulation oder technischem Versagen. Allerdings sind die potenziellen Synergien von Wearables und KI so schlagend, dass der Trend zur Verschmelzung kaum aufzuhalten sein wird.
Sind Wearables bald so selbstverständlich
wie das Smartphone?
Vieles spricht dafür, dass Wearables weiter Marktanteile gewinnen werden: Die Geräte entwickeln sich weiter, werden immer erschwinglicher und funktionaler. Akkulaufzeiten verlängern sich, und Energy-Harvesting-Technologien eröffnen die Aussicht auf eine ununterbrochene Nutzung. Zudem macht die Kombination mit künstlicher Intelligenz Wearables auch für weniger technikaffine Menschen attraktiv – sie sind nun kein bloßes Gadget mehr, sondern begegnen dem Nutzer als wohlmeinendes und sehr gut informiertes Gegenüber – im Fall des Gesundheitsmonitorings einem Chefarzt oder Professor vergleichbar, den ich immer bei mir trage.
Auch in der Breite werden sich Wearables weiterentwickeln und vermehrt spezielle Einsatzzwecke abdecken – nicht nur im Privatleben, sondern auch in der Industrie, im Gesundheitswesen und weiteren, bisher noch gänzlich unerschlossenen Bereichen. Mit dem Leistungsumfang von Wearables steigt allerdings auch die Gefahr durch Missbrauch. Und je weiter die Geräte sich hardwareseitig entwickeln, desto herausfordernder wird es, die verbaute Elektronik verlässlich zu testen. Mit innovativen Kontaktierungstechnologien, etwa dem SleeveProbe™, zeigt INGUN immer wieder, wie besondere Prüfanforderungen effizient gemeistert werden können. Als Partner für die Technologie der Zukunft steht INGUN bereit, die dynamische Evolution der Wearables mit führender Prüftechnik zu unterstützen.