Eine neue Ära der tragbaren Technologie

Jon Gabay für Mouser Electronics

Wenn wir uns mit tragbarer Technologie auseinandersetzen, kommen uns häufig Geräte in den Sinn, die mehr oder weniger an Armbanduhren erinnern. Doch auch zahlreiche andere technische Tools erfüllen die Kriterien von Wearables.

Historisch betrachtet wurde Technologie bisher eher dazu verwendet, Personen zu schützen, sensorische Fähigkeiten zu verstärken oder Einschränkungen zu kompensieren. Moderne Wearables erweitern jedoch die Horizonte des menschlichen Daseins, des Wohlbefindens und der Fitness. Gegenwärtig gibt es eine Vielzahl von Wearable-Technologien, die sich auf das Gesundheitsmanagement und den Datenzugriff konzentrieren. Die nächste Phase der Wearable-Technologien wird jedoch über die grundlegende medizinische Überwachung hinausgehen und die menschliche Leistungsfähigkeit erhöhen.

Werfen wir einen Blick auf tragbare Technologien, beginnend bei den frühesten Anfängen von Wearables.

Früheste Wearables

Während zahlreiche der heutigen Wearables darauf abzielen, das modische Erscheinungsbild und den persönlichen Komfort mithilfe von Armbanduhren, Ringen, Anhängern, Armbändern oder Implantaten zu verbessern, standen Komfort und Bequemlichkeit bei den früheren Ausprägungen tragbarer Technologien nicht an erster Stelle. Vor tausenden von Jahren galten Soldatenhelme als hochentwickelte Vorrichtungen, die zum ersten Mal dafür sorgten, dass Schläge auf den Kopf für derart geschützte Kämpfer nicht unbedingt schwerste Konsequenzen hatten. Und selbst Brillen galten einst als Wearables auf der Höhe ihrer Zeit, die die Fähigkeit verbesserten, zu lernen und am gesellschaftlichen Leben teilzunehmen.

Während Rüstungen und Brillen als passive tragbare Technologien verstanden werden können, haben auch mechanisierte Wearables zum gesellschaftlichen Fortschritt beigetragen. Diese kamen zu Beginn des 15. Jahrhunderts auf, als erste Taschenuhren Vertretern der Zünfte sowie gewöhnlichen Menschen Zugang zu einfacher und akkurater Zeitmessung boten – damals (wie heute) ein wesentlicher Faktor von Planung und Fertigung. Durch die neue Technologie konnten Prozesse von der Metallverhüttung bis zum Brotbacken präziser gestaltet werden. Durch das Aufkommen von Armbanduhren spürte schließlich ein noch größerer Teil der Bevölkerung diese Auswirkungen am eigenen Leib. Moderne Technologien bauten auf diesen Fortschritten auf und hoben die Klasse der tragbaren Technologien auf eine neue Stufe.

Betrachten wir uns nun das bisher Erreichte.

Die Wearables von heute

Anders als die bereits erwähnten statischen Rüstungen bzw. mechanisierten Technologien früherer Zeiten, sind unsere heutigen Wearables elektronischer Natur. Aufgrund der weit verbreiteten und kostengünstigen Herstellung von Geräten wie Mikroprozessoren, Displays und Sensoren haben jetzt mehr Menschen einen relativ kostengünstigen und einfachen Zugang zu den Vorteilen dieser Geräte.

Zahlreiche moderne tragbare Geräte kommen in den Bereichen Gesundheit und Fitness zum Einsatz, vereinzelt bieten sie jedoch auch nahtlosen Zugang zu Informations- bzw. Kommunikationstechnologien. Beide Bereiche werden aktiv vermarktet und die mechanisierten Armbanduhren von früher wurden mithilfe moderner Displays und Touchscreens ästhetisch aufgewertet.

Armbanduhren, die ihre Berühmtheit führenden Elektronikherstellern verdanken, verfügen neben der leicht lesbaren und individuell anpassbaren Anzeige von Uhrzeit, Datum, Kalender- sowie Benachrichtigungsalarmen über Audio, Video und vieles mehr. Mit der steten technologischen Weiterentwicklung werden tragbare Geräte die Art und Weise, wie wir mit Maschinen interagieren, umfassend verändern. Gesundheitsanwendungen gelten jedoch nach wie vor als die treibende Kraft.

Gesundheits- und Fitnessüberwachung

Die Verwendung von Gesundheits- und Fitnessüberwachungsgeräten wird in erster Linie von Fortschritten bei Beschleunigungssensoren befeuert. Trägheitssensoren machen Schrittzähler erst möglich; sie sind außerdem Teil von Armbanduhren, Smart Bands, Anhängern, Ringen und allen nur erdenklichen modernen Wearables.

Während Ringe traditionell nicht so viele Funktionen wie Uhren und Armbänder bieten, können sie dank drahtloser Kommunikation den Perfusionsindex (wie gut das Blut zirkuliert), die Herzfrequenzvariabilität, Schlafzeiten und -niveaus, den Sauerstoffgehalt des Blutes und sogar Stress überwachen (Abbildung 1). Mit einem integrierten Beschleunigungsmesser können sie auch als Schrittzähler verwendet werden.

Abbildung 1: Während Armbanduhren und Armbänder die am häufigsten verwendeten tragbaren Geräte darstellen, werden Ringe zunehmend beliebter, insbesondere seit die Displaytechnologie die Zugänglichkeit von Informationen erhöht. (Quelle: P.S/stock.adobe.com)

Obwohl Schrittzähler Bewegung gut erfassen können, sind sie nicht dazu in der Lage, die Trainingsintensität oder verbrannte Kalorien korrekt zu übermitteln. Schrittzähler zählen Schritte, unterscheiden aber nicht zwischen Gehen oder Joggen auf ebenem Untergrund im Vergleich zu Stufen, Hügeln oder Gefälle. Dieser Genauigkeitsmangel ließe sich mithilfe von GPS-Technologie umgehen, deren Exaktheit jedoch nach wie vor nicht ausreicht, um Höhenunterschiede mit der notwendigen Zuverlässigkeit festzustellen.

Smartwatches und Fitnesstracker sind die am meisten verwendeten Wearables. Fitnesstracker verfügen häufig über keinerlei Display, können jedoch Schritte zählen, Kalorien überwachen und Schlafmuster aufzeichnen sowie Herzfrequenz, Blutdruck und Hautwiderstand (Schweiß-, Stress- und Belastungslevel) messen.

Das Erfassen ihrer Schlafmuster gilt für viele Menschen, insbesondere jene mit Schlafapnoe, als die wichtigste Überwachungsfunktion überhaupt. Zum allerersten Mal können sie ihre Schlafmuster überwachen und erfassen, ohne auf teure und gewöhnungsbedürftige Schlaflabore angewiesen zu sein. Das Überwachen des Schlafverhaltens mithilfe von am Handgelenk getragenen Geräten kann auch das Leben von Neugeborenen retten, wenn diese Atemaussetzer feststellen.

Eine weitere nützliche Verwendung von Fitnesstrackern, deren Technologie auf Beschleunigungsmessern basiert, besteht in der Erfassung möglicher Stürze, und zwar insbesondere für ältere Menschen bzw. die alternde Bevölkerung. Während frühere drahtlose Notknöpfe, die nach Stürzen betätigt werden können, bereits unzählige Leben gerettet haben, sind bewusstlose Träger schlicht nicht dazu in der Lage, den Alarm auszulösen. Die drahtlose Kommunikation zwischen Armbanduhren, Anhängern, Ringen und sogar tragbaren Taschengeräten kann im Falle von Stürzen jedoch zur Benachrichtigung von Notfallkontakten führen. Die Technologie kann außerdem bei der Überwachung von Patienten mit Alzheimer oder anderen Formen von Demenz eingesetzt werden und Betreuern dabei helfen, die Sicherheit von Betroffenen zu gewährleisten, die sich in Einrichtungen frei bewegen.

Zusätzliche hochentwickelte Medizingeräte werden eingesetzt, um Leben zu retten bzw. zu verlängern. Zwar sind diese teurer als die üblichen tragbaren Geräte zwischen 20 € und 100 €, doch sind tragbare Medizingeräte zu sehr viel mehr in der Lage, als nur dazu, die Herzfrequenz zu überwachen bzw. kardiale Ereignisse festzustellen und zu protokollieren. Über den kabellosen Zugang zu weltweiten Netzwerken, weit entfernten Ärzten oder sogar Cloud-basierten Diensten können diese Geräte Daten periodisch oder sogar in Echtzeit hochladen, um medizinisches Personal im Falle von Vorkommnissen zu alarmieren.

Eine andere weitverbreitete tragbare Medizintechnologie sind Patches. Während Patches zumeist zuvor festgelegte Mengen an Arzneimitteln abgeben, enthalten viele von ihnen aktive Elektronik, die physiologische Zustände über die Haut überwachen, um die Medikamentenabgabe zu steuern. Auf ähnliche Weise wird seit Jahren tragbare Elektrostimulationstechnologie verwendet, bei der Einwegelektroden zum Einsatz kommen, die mit wenigen Handgriffen rund um Muskeln oder schmerzende Bereiche festgeklebt werden können und in regelmäßigen Abständen leichte elektrische Oberflächenschocks auslösen, um tieferliegende interne Schmerzmechanismen zu überbrücken und auf diese Weise Schmerzen zu lindern.

Implantierte Sensoren werden höchstwahrscheinlich den nächsten großen Trend bei medizinischen Wearables darstellen. Eingebettete Technologie kann Medikamente mithilfe intelligenter Patches, Armbanduhren, Ringe, Anhänger und Armbänder sehr viel genauer und vor allem bedarfsgerecht abgeben. Implantierte Sensoren können mit aktiven Patches kommunizieren, die dann anweisungsgemäß exakt festgelegte Arzneimittelmengen freisetzen.
Subdurale und implantierbare tragbare Technologie
Manche halten medizinische Implantate womöglich für reine Zukunftsmusik, doch gibt es implantierbare Medizingeräte bereits seit Jahrzehnten. Der erste Herzschrittmacher wurde 1958 eingesetzt, und seitdem wurde diese Technologie beständig verbessert und nicht zuletzt um Defibrillatoren erweitert, die bei Herzstillständen Leben retten können.

Wie die Beliebtheit tragbarer Sensoren nimmt auch jene von implantierten Sensoren beständig zu. Moderne implantierbare Sensortechnologie kann Blutzuckerwerte, die Gewebe- und Knochenregeneration, Bluthochdruck, Herzrhythmusstörungen, Nervenreize (z. B. Cochlear-Implantate und Intraokularlinsen) überwachen und sogar Insulin, intrauterine Verhütungsmittel sowie andere Arzneimittel bedarfsgerecht freisetzen.

Während Geräte wie Insulinpumpen oder Herzschrittmacher chirurgisch eingesetzt werden, macht neue Technologie injizierbare, implantierbare Medizingeräte möglich. Diese injizierbaren Sensoren können drahtlos mit Geräten außerhalb des Körpers kommunizieren. Eine sogenannte Quantenpunkt-Technologie ist zudem in der Lage, Anamnesedaten zu speichern.

Einen bedeutenden Markt dieser injizierbaren Sensoren stellen prothetische Überwachungsgeräte zur Verbesserung der funktionalen myoelektrischen Steuerung dar. Es wird erwartet, dass die Verwendung motorischer Neuroprothesen mit der Zunahme von Knie-, Hüft- und anderer Gelenksimplantate steigt (Abbildung 2). Feedbacksensoren erfassen Gelenkswinkel, Hautkontaktdrucke und Gewebebelastungen.

Abbildung 2: Implantierte Sensoren unterstützen die Steuerung und sensorische Rückmeldung prothetischer Gliedmaßen. (Quelle: Gorodenkoff/stock.adobe.com)

Implantate kommen auch in nicht-medizinischen Anwendungen zum Einsatz, beispielsweise in unter die Haut eingesetzten RFID-Chips. RFID-Technologie kann vollständig mithilfe von HF-Energie eines externen Lesegeräts betrieben werden und bietet nichtflüchtiges Speichern von Informationen, die als medizinische Alarme dienen könnten. Einzelne Menschen ließen sich bereits RFID-Geräte einsetzen, um damit ihr Auto oder Zuhause zu sperren. Subdurale RFID-Technologie könnte Menschen zu Kreditkarten machen und Identitätsdiebstählen einen Riegel vorschieben.

Gehirnimplantate gleichen Defizite aus
Gehirnimplantate, auch neuronale Implantate genannt, werden direkt mit dem Gehirn und anderen Nervenzellen verbunden (Abbildung 3), und können unter anderem dafür eingesetzt werden, um Auswirkungen von Parkinson zu lindern oder den Vagusnerv zu stimulieren, um die Verdauung oder die Herzfrequenz zu beeinflussen.

Abbildung 3: Gehirnimplantate werden bereits eingesetzt und können Nervenreize überwachen, Nerven stimulieren und sensorische Informationen direkt an das Gehirn weiterleiten. (Quelle: ktsdesign/stock.adobe.com)

So manche dieser medizinischen Implantate haben zahllosen Menschen dabei geholfen, besser zu hören bzw. zu sehen. In einzelnen Fällen wurde integrierte Schalttechnologie sogar erfolgreich implantiert, um es Menschen mit Farbsehschwäche zu ermöglichen, Farben zu sehen bzw. zu unterscheiden.

Mithilfe dieser Implantate lässt sich auch der Umfang der menschlichen Sinnesorgane erweitern, z. B. durch die mögliche Ausweitung des Sehspektrums in den infraroten bzw. ultravioletten Bereich. Ebenso können Hörimplantate das Hörspektrum vergrößern und spezifische Filter anwenden, die es Benutzern erlauben, Stimuli zu erfassen, die außerhalb des für Menschen typischen Wahrnehmungsspektrums liegen. Auch dafür kommen tragbare Hörhilfen infrage.

Jüngeren Datums sind noch raffiniertere Implantate, die in der Lage sind, mit Computern zu interagieren und Texte mittels Dekodierung von Gehirnströmen zu verfassen. Diese Technologien können das Leben ihrer Benutzer vollkommen verändern, denen die Möglichkeit geboten wird, motorisierte künstliche Gliedmaßen und Gelenke mittels Gedankenmustern zu steuern.

Und mit der Einführung implantierbarer KI-Prozessoren, die komplexe Stimulationsmuster des Gehirns erlernen können, wird es möglich sein, über das Denken von Formen und Farben mit prothetischen und bionischen Gliedmaßen zu kommunizieren. Bei genügend Verarbeitungs- und DSP-Funktionalität könnten implantierte Prozessoren neurale Signale über durchtrennte Nerven hinweg weiterleiten, und so für durchgehende sensorische Nervensignale (z. B. Heiß- und Kaltempfinden, Berührungen) sorgen.

Die Optimierung von Prozessorkernen und Peripheriegeräten für fortschrittliche Wearable-Technologie

Trotz Platzbeschränkungen kann externe tragbare Technologie, abhängig von den jeweiligen Präferenzen der Produktingenieure, eine breite Palette an Prozessoren enthalten. Angesichts der Vielzahl an verfügbaren leistungsstarken Multicore-Prozessoren, hängt die Abstimmung des idealen Prozessors auf das entsprechende tragbare Gerät von der Auswahl der optimalen Kombination aus Prozessorkernen und Peripheriegeräten ab.

Die i.MX RT5000 Crossover Microcontroller von NXP Semiconductors, einem weltweit führenden Anbieter sicherer Konnektivitätslösungen für eingebettete Applikationen, werden diesem Anspruch gerecht. Diese Mikrocontroller nutzen eine Kombination aus Prozessorkernen und Peripherieschnittstellen, die eigens auf tragbare Designs zugeschnitten wurden, und bieten eine umfassende Lösung für viele Anwendungen.

Der i.MX RT5000 ist mit einer 2D Grafik-Engine GPU ausgestattet, die beschleunigte Vektorgrafiken unter Verwendung einer parallelen Hochgeschwindigkeitsschnittstelle möglich macht. Für nahtlose Verbindungen mit seriellen Displaymodulen wurde zudem ein MIPI Serial Display Interface (MIPI DSI®) in den Chip integriert. Die On-Chip-LCD-Schnittstelle erlaubt das schnelle, individuelle Anpassen von Wearables, um TFT, OLED, micro-LED und sogar aufstrebende Quantenpunkt-Displaytechnologien auszuschöpfen.

Die i.MX RT5000 Baureihe enthält zudem einen robusten 200MHz Arm® Cortex®-M33 Prozessorkern, der in Hinblick auf Echtzeit-Reaktionsfähigkeit konzipiert wurde. Dieses Feature arbeitet Hand in Hand mit dem 5MB On-Chip Zero Wait State SRAM, der dafür sorgt, dass kritischer Code gut zugänglich bleibt und gleichzeitig Verzögerungszeiten durch Datenbewegungen minimiert werden.

Darüber hinaus kann ein Cadence Tensilica Fusion F1 DSP Kern mit 200MHz Leistung Signalverarbeitungsdaten verschiedenster externer Quellen bewältigen. Diese Sensoren sind in der Lage, chemische Werte, wie beispielsweise Zucker- oder Hormonkonzentrationen festzustellen, oder Nervenaktivität bei der Übertragung von Sinneseindrücken oder der Schmerzlinderung zu überwachen.

Zur Implementierung von Funktionen wie der direkten Muskelstimulation oder elektrischer Impulse sind mehrere Schnittstellen erforderlich, um die Kommunikation mit Sensoren und Aktuatoren zu erleichtern. Diese Schnittstellen erlauben es mechanischen Prothesen, mit Muskeln zu interagieren, um Kontrolle und Mobilität wiederzuerlangen. Die i.MX RT5000 umfasst Hochgeschwindigkeits-USB 2.0, SPI, I²C, UART und I²S-Schnittstellen, die Sensoren, Stimulatoren und drahtlose Kommunikationsmodule anbinden können. Dieser Anpassungsfähigkeit ist es zu verdanken, dass sich Wearables parallel zu drahtlosen Protokollen entwickeln können.

Die i.MX RT5000 umfasst außerdem mehrere Flash-Schnittstellen, Kryptografie und mathematische Beschleuniger zur Implementierung komplexer dynamischer Sicherheitsalgorithmen. Die Sicherheit medizinischer Daten und von Körperschnittstellen zu gewährleisten, ist absolut unerlässlich, um unerlaubte Zugriffe auf Geräte wie Herzschrittmacher unmöglich zu machen. Forschrittlicher Sicherheitssupport gewährleistet die sichere Kommunikation mit externen Telefonen oder Netzwerken, darunter asymmetrische Kryptografie, AES 256 und SHA2-256 (ECC und RSA). Zudem ist Secure Boot und die Schlüsselspeicherung auf Basis physisch unklonbarer Funktionen (PUF) integriert. Fortschrittliches Energiemanagement minimiert den Energieverbrauch und die Root-Key-Speicherung ist mittels schmelzbarer Verbindung geschützt.

Schlussfolgerungen

In nicht einmal 60 Jahren sind wir von extensiver, chirurgisch eingesetzter Technologie zu subduraler und injizierbarer medizinischer Überwachungs- und Verabreichungstechnologie gelangt. Diese Innovationen haben nicht nur Leben verlängert bzw. gerettet, sondern auch die Lebensqualität verbessert und Betreuer sowie Ärzte in die Lage versetzt, sich um mehr Menschen zu kümmern, und das bei geringeren Kosten.

Die verringerten Abmessungen integrierter Schaltkreise und Halbleitertechnologien mit geringerem Verbrauch führten zu ausgeklügelteren und sichereren tragbaren bzw. implantierbaren Technologien. Und obwohl dieser Artikel das Thema Kleidung als tragbare Technologie unerwähnt lässt, kann diese durchaus großen Nutzen bieten, sofern Herausforderungen wie der Erhalt der Funktionalität nach dem Waschen bzw. Trocknen überwunden werden können.

Der NXP i.MX RT5000 ist ein idealer Prozessor für Wearables der nächsten Generation. Eine ausgereifte Entwicklungsumgebung steht bereit und es gibt zahlreiche hilfreiche Applikationshinweise zu AES-Verschlüsselung, dem Einsatz von DSPs, Leistungsmanagement und der Implementierung sicherer I/Os.

Mit Blick auf die Zukunft sind noch mehr aktive tragbare und injizierbare Geräte zu erwarten. Smart Patches werden die automatisierte Verabreichung von Arzneimitteln erleichtern, vor allem wenn diese mit implantierten Sensoren gekoppelt werden. Außerdem könnten Identifikationen und Überprüfungen mittels RFID Identitätsdiebstählen einen Riegel vorschieben. Es ist viel von den medizinischen Vorteilen von Wearables die Rede, doch erst wenn wir Teil der Maschine sind, werden den Möglichkeiten keinerlei Grenzen mehr gesetzt sein.