Immersive Technologie durchdringt die Realität

Von Adam Kimmel für Mouser Electronics

(Quelle: Kiselev Andrey Valerevich/Shutterstock.com)

Oberflächlich betrachtet ist das Konzept der Realität leicht zu verstehen. Die Welt um uns herum ist alles, was wir sehen, alles, was wir in einem bestimmten Raum fühlen. Die Realität ist einfach das, was existiert.

Mit der Verbreitung des Internet of Things (IoT), smarter Geräte und 5G hat sich die Prämisse der Realität jedoch von einer konstanten, vorhersehbaren Umgebung zu einer sich ständig weiterentwickelnden realen und virtuellen Erfahrung gewandelt. Natürlich sehen und fühlen wir die physische Realität, aber das ist nur ein Teil der Geschichte. Die physische Realität wird durch die immersive/erweiterte Realität (XR) ausgeglichen, indem neue Erfahrungen hinzugefügt und geschaffen werden.

Es gibt drei Haupttypen von immersiver Realität:

• Virtual Reality (VR) – Eine vollständig simulierte Umgebung, die den Benutzer in eine rein digitale Welt eintauchen lässt.
• Augmented Reality (AR) – Die Erweiterung der physischen Umgebung durch digitale Bilder und Erfahrungen. Nutzer erleben AR häufig über Smartphone-Kameras.
• Mixed Reality (MR) – Die Interaktion zwischen physischen und digitalen Objekten. MR nutzt die Stärken und Vorteile von AR und VR, um das Nutzererlebnis zu optimieren.

Die primäre Technologie, die ein immersives Benutzererlebnis ermöglicht, ist ein XR-Headset. In den XR-Geräten befinden sich Rechen- und Verarbeitungselemente, Aktoren, Sensoren und andere Komponenten. Diese Bauelemente verbinden die beiden Welten miteinander und ermöglichen transformative Applikationen zum Nutzen der Menschheit. Beispiele für die Verwendung von XR sind die Schaffung menschlicher und sozialer Vorteile wie sichere, simulierte soziale Interaktionen für Kinder und die Unterstützung bei der Behandlung von Krankheiten wie Phobien, Schmerzen und Angstzuständen. Neben den eindeutigen Vorteilen für das Gesundheitswesen verbessert XR auch den Komfort der Menschen durch intelligente Städte und vernetzte Straßenlaternen, hilft in der Raumfahrt sowie in zahllosen anderen Applikationen.

Die Überschneidung von virtueller und physischer Welt kann der Menschheit Vorteile bieten. Im Folgenden werden die einzelnen XR-Typen vorgestellt und die Rolle der relevanten Signalkettenbauelemente erläutert, die diese transformative Technologie ermöglichen.

Es lohnt sich, den Bezugsrahmen der immersiven Technologie zu definieren, um die Signalkette zu verstehen und herauszufinden, wie relevante Verarbeitungselemente dazu beitragen, das Erlebnis zu vermitteln.

Physische Realität

Die Welt um uns herum gibt uns Feedback, um die Rahmenbedingungen für das vorzugeben, was der Nutzer erwarten kann.

Virtual Reality (VR)

VR bietet dem Benutzer eine vollständig immersive Erfahrung, die so viele der fünf Sinne wie möglich simuliert.

Augmented Reality (AR)

AR fügt der physischen Welt virtuelle Elemente hinzu, um das, was die Nutzer sehen, zu verbessern und Funktionen oder Merkmale hinzuzufügen.

Mixed Reality (MR)

MR ermöglicht eine Interaktion zwischen den beiden anderen Realitäten, anstatt dass die digitalen Elemente die physischen einfach überlagern.

Wie die Lieferkette für die Beschaffung von Materialien umfasst auch die Signalkette das Netzwerk und die Reihenfolge der Komponenten, die das XR-Erlebnis ermöglichen.

Verarbeitungsleistung/Wärmemanagement

Je intensiver die Bildanzeige ist, desto höher ist der Strombedarf, der für die digitalen Funktionen benötigt wird. Durch die Integration von stromsparendem Wärmemanagement und Prozessoren wird sichergestellt, dass die Technologie nicht vom immersiven Erlebnis ablenkt. Darüber hinaus muss das System die zunehmende Verarbeitungslast ausreichend kühlen, um den Benutzer vor Geräteausfällen zu schützen, insbesondere bei medizinischen und krankenpflegebezogenen Applikationen. Der Markt für die Kühlung von Rechenzentren treibt die Entwicklung von Lösungen für die Verarbeitung und Chipkühlung voran, die XR unterstützen können.

Visuelle Anzeige/Beleuchtung

Ein Display mit einer Beleuchtungsstrategie, bei der die Sicht des Benutzers von der realen in die virtuelle Welt (und zurück) übergeht, bietet die vom Benutzer gewünschte transformative Erfahrung. Darüber hinaus bieten zunehmend hochauflösende Kameras realistischere Erlebnisse.

Konnektivität

Die Datenmenge, die eine realistische Umgebung bietet, wird nur zunehmen, wenn das System mehr Daten an den Nutzer überträgt. Die hohe Geschwindigkeit und die geringere Verzögerung von 5G werden XR in Applikationen vorantreiben, bei denen bezüglich der Echtzeit-Reaktion der Technologie auf das Nutzerverhalten keine Kompromisse eingegangen werden können. Darüber hinaus ermöglicht die flächendeckende Einführung von 5G die Entkopplung der Datenanalyse von einem zentralen Knotenpunkt, um einen größeren Teil der Daten auf der Bauteilebene (Edge) zu verarbeiten. Die Edge-Verarbeitung verkürzt die Datenlaufzeit und -entfernung.

Bewegungsverfolgung

Sensoren sammeln Daten aus der Umgebung, und Aktoren erfassen und übertragen die menschliche Reaktion. Die Technologie für autonome Fahrzeuge treibt die Entwicklung von beidem voran, insbesondere von Sensoren. Für eine genaue Interaktion zwischen der physischen und der digitalen Umgebung müssen die Sensoren eine genaue Karte des physischen Raums erstellen, und die Aktoren müssen die Handlungen der Person wie vorgesehen übertragen.

Die Erfassung der Daten zur genauen Abbildung des physischen Realitätsraums bietet die Grundlage, auf der die Konstrukteure die virtuellen Elemente erstellen können. Eine dichtere physische Realitätsmatrix erhöht den Freiheitsgrad, auf den die Designer zugreifen können, und schafft subtile, lebensechte Interaktionen, auf die der Benutzer mit natürlichen Bewegungen und Eindrücken reagiert. Die leistungsstarke Datenverarbeitung lässt den Nutzer vollständig in das Erlebnis eintauchen. Und bei jeder Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) verbessern die hohe Empfindlichkeit und die dynamische Reaktion auf Bewegungen das XR-Benutzererlebnis, so dass es sich wie das echte Leben anfühlt.

Transformative Produkte kombinieren diese beiden Merkmale für ein optimales, erweitertes Realitätserlebnis. Eine der besten Produktoptionen ist der EPCOS / TDK PowerHap Piezo-Aktor. Der PowerHap nutzt den piezoelektrischen Effekt, bei dem durch mechanische Beanspruchung eines leitfähigen Materials eine elektrische Ladung erzeugt wird. Dieser Effekt ermöglicht es dem PowerHap, haptisches Feedback zu geben, um Kommunikationsmedien zu aktivieren und die taktile Sensibilität des Benutzers anzusprechen. Darüber hinaus enthält der Aktor integrierte Sensoren zur Verbesserung der Bewegungsleistung in Form von Beschleunigung, Kraft und Reaktion.

Der PowerHap besteht aus mehrschichtigen Piezo-Platten mit Innenelektroden aus Kupfer. Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer ermöglicht eine relativ niedrige Betriebsspannung von 120 V oder weniger. Darüber hinaus dehnen sich diese speziellen Platten aufgrund des piezoelektrischen Effekts nur minimal in der Z-Achse aus, während sie sich gleichzeitig in den beiden anderen Richtungen zusammenziehen, wodurch ein konstantes Volumen entsteht. Der Piezo-Aktor nutzt zudem integrierte Beckenfunktionen, um die Kontraktion der Z-Achse bis zum 15-fachen des Nennwerts zu verstärken.

Zu den Produktmerkmalen, die diese Art von Hochleistung ermöglichen, gehören große Kräfte bis zu 20 N, ein breiter Verschiebungsbereich zwischen 35µm und 200µm, eine Beschleunigung von bis zu 15 g bei einer Last von 100 g sowie eine hohe räumliche und energetische Effizienz. Der PowerHap benötigt einen maximalen Platzbedarf von 26,0 mm² im Gehäuse mit einer sehr geringen Einschubhöhe von 2,4 mm und verbraucht nur zwischen 1 und 8 mJ Energie pro Zyklus.

Der PowerHap-Piezo-Aktor eignet sich aufgrund seines geringen Platzbedarfs, seiner hohen Empfindlichkeit und seines leistungsstarken Betriebs ideal für Augmented und Virtual Reality.

Die Vorteile der nahtlosen Integration der immersiven Technologie liegen auf der Hand. Dieser transformative Technologietrend verbessert die Unterhaltung und hilft der Gesellschaft, indem sie die von uns entwickelten Produkte, die medizinische Versorgung und Verfahren, die Sicherheit auf Reisen und die Qualität und Tiefe der Bildung verbessert. Die Entwicklungen in den folgenden Bereichen werden diese Integration vorantreiben:

• Rechenleistung und Kühlung aus der Rechenzentrumsbranche
• Display und Beleuchtung angeführt von Smartphone- und Display-Herstellern
• Konnektivität angeführt von 5G-Herstellern und Netzbetreibern
• Bewegungsverfolgung angeführt von der Sensor- und Aktuator-Elektronikfertigung

Jede dieser Technologien birgt die Gefahr, dass das Wachstum der immersiven Technologie eingeschränkt wird. Um die in den Marktberichten prognostizierten exponentiellen Zuwächse zu erzielen, sind gemeinsame Anstrengungen zur Entwicklung und zum Wachstum jedes einzelnen Segments erforderlich. Aber angesichts der Vorteile, die sich für die Menschheit durch die Verbesserung der erweiterten Realität ergeben, sind die Investitionen lohnenswert.