Innovationslabor für Wearable und Ubiquitous Computing - Exam

Aufgabe 1)

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Wearable-Computing-Technologie von einfachen tragbaren Taschenrechnern zu komplexen, vernetzten Geräten entwickelt, die in der Lage sind, eine Vielzahl von Funktionen auszuführen. Diese Fortschritte sind auf Entwicklungen in der Miniaturisierung, drahtlosen Kommunikation, künstlicher Intelligenz und Sensorik zurückzuführen. Eine historische Übersicht zeigt, dass:

• In den 1970er Jahren begannen tragbare Taschenrechner und handgehaltene Computer die ersten Schritte in Richtung Wearable Computing.
• In den 1980er Jahren erlebten wir die Einführung tragbarer Computer wie dem WearComp von Steve Mann.
• Die 1990er Jahre brachten Fortschritte in der Miniaturisierung und drahtlosen Kommunikation, was zur Entstehung von Fitness-Trackern führte.
• In den 2000er Jahren kamen Smartwatches und tragbare medizinische Geräte auf den Markt.
• In den 2010er Jahren verbreiteten sich Smartwatches wie die Apple Watch, und die Integration von künstlicher Intelligenz sowie erweiterter und virtueller Realität nahm zu.
• In den 2020er Jahren sehen wir die Weiterentwicklung von Wearables, insbesondere in der Gesundheitsüberwachung und -diagnose, verbesserten Akkulaufzeiten und verbesserter Konnektivität.

a)

Analysiere die technologischen Fortschritte, die zur Miniaturisierung und drahtlosen Kommunikation in den 1990er Jahren führten und erkläre, wie diese Entwicklungen den Weg für die Fitness-Tracker der 1990er Jahre ebneten. Verwende konkrete Beispiele von Geräten und Technologien, die in dieser Zeit eingeführt wurden, um Deine Analyse zu untermauern.

Lösung:

Die 1990er Jahre waren eine signifikante Periode in der Entwicklung von Wearable-Computing-Technologie, insbesondere in Bezug auf die Miniaturisierung und drahtlose Kommunikation. Diese technologischen Fortschritte ermöglichten die Einführung von Fitness-Trackern, die einen großen Einfluss auf die Gesundheits- und Fitnessbranche hatten.

• Miniaturisierung: Fortschritte in der Halbleitertechnologie und der Verkleinerung elektronischer Bauteile führten zu kleineren und leistungsfähigeren Prozessoren und Sensoren. Ein Beispiel ist der erste tragbare Computer, der von der Firma Xybernaut im Jahr 1996 entwickelt wurde. Das Xybernaut Mobile Assistant war ein tragbarer Computer mit einer begrenzten Funktionalität, aber es zeigte, dass die Technologie klein genug gemacht werden konnte, um am Körper getragen zu werden.
• Drahtlose Kommunikation: Die Einführung und Weiterentwicklung von Technologien wie Bluetooth und Wi-Fi in den 1990er Jahren waren entscheidend für die Entwicklung drahtloser Geräte. Zum Beispiel wurde Bluetooth 1994 von der Firma Ericsson erfunden und ermöglichte die kabellose Kommunikation zwischen verschiedenen Geräten auf kurzen Distanzen, was für die Vernetzung von tragbaren Geräten und Sensoren wichtig war.
• Konkret Beispiele von Geräten: In den späten 1990er Jahren wurden die ersten Fitness-Tracker wie der „Life Tracker“ von Polar und „FitSense“ entwickelt. Diese Geräte nutzten die Fortschritte in der Miniaturisierung, um Herzfrequenzsensoren zu integrieren, die Daten drahtlos an eine Basisstation oder einen Computer sendeten. Dies ermöglichte eine kontinuierliche Überwachung der körperlichen Aktivität und Fitnesslevel.

Insgesamt ebneten die technologischen Fortschritte in der Miniaturisierung und drahtlosen Kommunikation in den 1990er Jahren den Weg für die Entwicklung von Fitness-Trackern. Diese Entwicklungen zeigten, dass es möglich war, tragbare Geräte herzustellen, die klein, leicht und drahtlos vernetzt waren, was die Grundlage für die heutigen komplexen und multifunktionalen Wearables bildete.

b)

Im Kontext der zunehmenden Integration von künstlicher Intelligenz, erweiterter Realität (AR) und virtueller Realität (VR) in den Wearables der 2010er Jahre, erkläre die Rolle der Sensoren und der Datenverarbeitungstechnik. Führe aus, welche Herausforderungen hinsichtlich Akkulaufzeit und Konnektivität dabei technisch gelöst werden mussten und berechne den Energieverbrauch eines AR-Systems, das mit einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von \(200 \text{ mW}\) für die Bildverarbeitung und einem durchgehenden Betrieb von \(8\) Stunden pro Tag arbeitet. Nutze die Formel für Energieverbrauch \(E = P \times t\), wobei \(P\) die Leistung in Watt (W) und \(t\) die Zeit in Stunden (h) ist.

Lösung:

In den 2010er Jahren haben die Integration von künstlicher Intelligenz (KI), erweiterter Realität (AR) und virtueller Realität (VR) in Wearables bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Diese technologische Entwicklung wurde maßgeblich durch die Verbesserung der Sensoren und der Datenverarbeitungstechnik vorangetrieben.

• Sensoren: Moderne Wearables verwenden eine Vielzahl von Sensoren, darunter Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Magnetometer, Herzfrequenzsensoren und GPS. Diese Sensoren erfassen kontinuierlich Daten, die für die Funktionalität von KI, AR und VR essenziell sind. Beispielsweise verwenden AR-Systeme Gyroskope und Beschleunigungsmesser, um die Bewegungen des Benutzers zu verfolgen und die virtuelle Umgebung entsprechend anzupassen.
• Datenverarbeitungstechnik: Die Daten, die von den Sensoren erfasst werden, müssen in Echtzeit verarbeitet werden. Hier kommen leistungsstarke Mikroprozessoren und KI-Algorithmen ins Spiel, die Daten auswerten und darauf basierend Aktionen durchführen. Diese Echtzeit-Datenverarbeitung erfordert robuste und effiziente Rechenleistung.
• Herausforderungen: Zwei Hauptprobleme beim Einsatz von KI, AR und VR in Wearables sind die Akkulaufzeit und die Konnektivität.
• Akkulaufzeit: Die kontinuierliche Nutzung von Sensoren und die Datenverarbeitung belasten die Batterie erheblich. Technische Lösungen hierfür umfassen die Optimierung der Energieeffizienz der Sensoren und Prozessoren, die Nutzung von Energiesparmodi und die Entwicklung von Batterien mit höherer Kapazität und verbesserter Ladetechnologie.
• Konnektivität: Wearables müssen in der Lage sein, große Datenmengen schnell und zuverlässig zu übertragen. Fortschritte in der drahtlosen Kommunikation, wie die Entwicklung von Wi-Fi 6 und 5G, bieten höhere Bandbreiten und geringere Latenzzeiten, was die Konnektivität und Benutzererfahrung verbessert.

Um den Energieverbrauch eines AR-Systems zu berechnen, das mit einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von 200 mW (0,2 W) arbeitet und täglich 8 Stunden in Betrieb ist, verwenden wir die Formel für den Energieverbrauch:

Formel:

E = P \times t

Hierbei ist:

• P = 0,2 W
• t = 8 h

Berechnung:

E = 0,2 \text{ W} \times 8 \text{ h} = 1,6 \text{ Wh}

Das AR-System verbraucht also 1,6 Wattstunden (Wh) pro Tag. Diese Berechnung zeigt, wie wichtig es ist, die Energieeffizienz zu optimieren, um die Akkulaufzeit in Wearables zu maximieren.

Aufgabe 2)

Integration von Sensoren und Aktuatoren in Wearables Die Integration von Sensoren und Aktuatoren in tragbare Geräten hat zum Ziel, physiologische Daten zu erfassen und auf Umgebungsänderungen zu reagieren. Dies umfasst:

• Sensoren: Erfassen von Umgebungseinflüssen wie Temperatur, Bewegung oder Herzfrequenz.
• Aktuatoren: Reagieren auf die erfassten Daten durch z.B. Vibrationen oder die Ausgabe von Audiosignalen.
• Kommunikation: Datenübertragung über Bluetooth oder Wi-Fi.
• Energieeffizienz: Optimierung für geringen Energieverbrauch und längere Batterielaufzeiten.
• Miniaturisierung: Entwicklung kleiner und leichter Komponenten für besseren Tragekomfort.
• Beispiele: Verwendung in Geräten wie Smartwatches und Fitness-Tracker.

a)

Theoretische Frage: Beschreibe die Funktionsweise eines Sensors, der eingesetzt wird, um die Herzfrequenz in Echtzeit zu messen. Welche technischen und physikalischen Prinzipien werden hierbei genutzt? Wie unterscheidet sich diese Messung von anderen biometrischen Sensoren wie einem Beschleunigungssensor?

Lösung:

Theoretische Frage: Beschreibe die Funktionsweise eines Sensors, der eingesetzt wird, um die Herzfrequenz in Echtzeit zu messen. Welche technischen und physikalischen Prinzipien werden hierbei genutzt? Wie unterscheidet sich diese Messung von anderen biometrischen Sensoren wie einem Beschleunigungssensor?

Funktionsweise eines Herzfrequenzsensors:

• Optische PPG-Sensoren (Photoplethysmographie): Die meisten Herzfrequenzsensoren in Wearables verwenden die Photoplethysmographie (PPG). Dabei sendet ein LED-Licht (meistens grün) Licht in die Haut. Ein Fotodetektor misst, wie viel Licht vom Blut absorbiert und wie viel reflektiert wird. Durch die periodischen Unterschiede in der Lichtabsorption kann die Pulsfrequenz ermittelt werden. Prinzip: Die Technik basiert auf der Tatsache, dass Blut das Licht unterschiedlich absorbiert, je nachdem, wie viel Blut durch die Haut fließt. Diese Informationen werden genutzt, um die Herzfrequenz in Echtzeit zu berechnen.
• EKG-Sensoren (Elektrokardiogramm): Ein anderer Ansatz verwendet Elektroden, um die elektrischen Signale des Herzens zu messen. Diese Methode erfordert Kontakt mit der Haut und arbeitet durch die Messung der elektrischen Aktivitäten, die das Herz während jedes Herzschlags erzeugt. Prinzip: Elektroden erfassen die winzigen elektrischen Impulse, die von den Herzmuskeln erzeugt werden, und wandeln sie in Herzfrequenzdaten um.

Technische und physikalische Prinzipien:

• Optische Prinzipien: LED und Fotodetektor nutzen die Variation der Lichtabsorption durch die Blutgefäße.
• Elektrische Prinzipien: Elektrokardiogramm-Elektroden erfassen elektrische Signale des Herzens.
• Signalverarbeitung: Die empfangenen Signale werden gefiltert und analysiert, um die Herzfrequenz zu berechnen.

Unterschied zur Messung mit einem Beschleunigungssensor:

• Messparameter: Ein Herzfrequenzsensor misst die Herzaktivität, während ein Beschleunigungssensor Bewegungen und Orientierung im Raum erfasst.
• Technologische Basis: Herzfrequenzsensoren nutzen optische oder elektrische Signale, während Beschleunigungssensoren auf piezoelektrischen Effekten oder Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basieren.
• Anwendung: Herzfrequenzsensoren sind für das Monitoring der kardiovaskulären Gesundheit zuständig, während Beschleunigungssensoren häufig zur Erkennung von Bewegungsabläufen, Stürzen oder Aktivitätsmessungen genutzt werden.

b)

Anwendungsaufgabe: Entwerfe ein Konzept für ein smartes Wearable-Gerät, das sowohl die Herzfrequenz als auch die Umgebungstemperatur misst und auf eine bestimmte Herzfrequenzschwelle durch Vibration reagiert. Wie würdest Du die Sensoren und Aktuatoren anordnen und welche Kommunikationsmethode würdest Du wählen, um die Daten zu übertragen? Schätze auch den Energieverbrauch und die Batterielaufzeit des Gerätes ab. Gehe auf die Miniaturisierungsaspekte ein.

Lösung:

Anwendungsaufgabe: Entwerfe ein Konzept für ein smartes Wearable-Gerät, das sowohl die Herzfrequenz als auch die Umgebungstemperatur misst und auf eine bestimmte Herzfrequenzschwelle durch Vibration reagiert. Wie würdest Du die Sensoren und Aktuatoren anordnen und welche Kommunikationsmethode würdest Du wählen, um die Daten zu übertragen? Schätze auch den Energieverbrauch und die Batterielaufzeit des Gerätes ab. Gehe auf die Miniaturisierungsaspekte ein.

Konzept für ein smartes Wearable-Gerät:

• Sensoren:
  • Herzfrequenzsensor: Ein optischer PPG-Sensor (Photoplethysmographie) wird auf der Rückseite des Geräts (in Kontakt mit der Haut des Handgelenks) platziert. Er misst kontinuierlich die Herzfrequenz des Nutzers.
  • Temperatursensor: Ein Mikro-Temperatursensor wird an der Außenseite des Geräts platziert, um die Umgebungstemperatur zu messen. Dabei sollte der Sensor so positioniert sein, dass er nicht durch die Körpertemperatur beeinflusst wird.
• Aktuatoren: Ein kleiner vibrationsmotor wird ebenfalls auf der Unterseite des Geräts (in Hautnähe) angebracht. Dieser wird aktiviert, wenn die Herzfrequenz eine voreingestellte Schwelle überschreitet oder unterschreitet.
• Kommunikationsmethoden: Für die Datenübertragung wird Bluetooth Low Energy (BLE) verwendet. BLE ermöglicht eine energiesparende kontinuierliche Verbindung zu einem Smartphone oder einem anderen Empfangsgerät.
• Energieverbrauch und Batterielaufzeit:
  • Batterie: Der Energiespeicher könnte eine wiederaufladbare Lithium-Polymer-Batterie sein mit einer Kapazität von etwa 150 mAh.
  • Energieverbrauch: Das Gerät verbraucht zirka 1–2 mA im Standby-Modus und etwa 10–15 mA während der aktiven Nutzung (Herzfrequenzmessung, Temperaturmessung, gelegentliche Vibration und BLE-Kommunikation). Batterielaufzeit: Bei einer Nutzung von etwa 12 Stunden pro Tag könnte die Batterie etwa 5–7 Tage halten, bevor sie wieder aufgeladen werden muss.
• Miniaturisierungsaspekte:
  • Komponentenplatzierung: Das Design des Geräts muss die Platzierung aller Sensoren, Aktuatoren und der Batterie auf einer kleinen Fläche berücksichtigen. Die Bauweise sollte alle Komponenten kompakt und ergonomisch integrieren, um einen hohen Tragekomfort zu gewährleisten.
  • Materialien: Leichte und flexible Materialien sollten für das Armband und Gehäuse verwendet werden, um das Tragen angenehm zu machen.

Zusammenfassend würde das Wearable-Gerät die Herzfrequenz und Umgebungstemperatur messen, die Herzfrequenzdaten analysieren und bei Überschreiten einer bestimmten Schwelle eine Vibration auslösen. Die Datenübertragung erfolgt mittels BLE an ein Smartphone, und durch effiziente Energienutzung wird eine zufriedenstellende Batterielaufzeit gewährleistet. Die Miniaturisierung sorgt für hohen Tragekomfort und einfache Handhabung.

c)

Mathematische Aufgabe: Angenommen, der Herzfrequenzsensor in deinem Wearable misst alle 2 Sekunden die Herzfrequenz und sendet die Daten alle 30 Sekunden per Bluetooth an ein gekoppelte Smartphone. Die Energieaufnahme des Sensors beträgt 1 mW während der Messung und 0.1 mW während des Standby-Modus. Die Energieaufnahme des Bluetooth-Moduls beträgt 10 mW beim Senden der Daten und 0.5 mW im Standby-Modus. Berechne den durchschnittlichen Energieverbrauch des Systems pro Stunde. Gehe davon aus, dass jede Datenübertragung 2 Sekunden dauert.

Lösung:

Mathematische Aufgabe: Angenommen, der Herzfrequenzsensor in deinem Wearable misst alle 2 Sekunden die Herzfrequenz und sendet die Daten alle 30 Sekunden per Bluetooth an ein gekoppeltes Smartphone. Die Energieaufnahme des Sensors beträgt 1 mW während der Messung und 0.1 mW während des Standby-Modus. Die Energieaufnahme des Bluetooth-Moduls beträgt 10 mW beim Senden der Daten und 0.5 mW im Standby-Modus. Berechne den durchschnittlichen Energieverbrauch des Systems pro Stunde. Gehe davon aus, dass jede Datenübertragung 2 Sekunden dauert.

Lösung:

Um den durchschnittlichen Energieverbrauch des Systems pro Stunde zu berechnen, müssen wir sowohl die Betriebszeiten als auch die Energieaufnahmen der einzelnen Komponenten berücksichtigen.

• Herzfrequenzsensor:
  • Der Herzfrequenzsensor misst alle 2 Sekunden, also 30x pro Minute. In einer Stunde (60 Minuten) misst er 30 x 60 = 1800 Mal.
  • Jede Messung dauert eine sehr kurze Zeit, aber wir gehen für dieses Beispiel davon aus, dass der Sensor in dieser Zeit ständig mit 1 mW läuft. Da der Sensor in den restlichen Zeiten im Standby-Modus ist, betrachten wir den durchschnittlichen Energieverbrauch in diesen Zyklen.
  • Energieaufnahme während der Messung: 1800 Messungen à 1 Sekunde = 1800 Sekunden Messung. Standby-Zeit: 3600 Sekunden (1 Stunde) - 1800 Sekunden = 1800 Sekunden.
  • Durchschnittlicher Verbrauch des Sensors pro Stunde: \text{Energie} = 1800 \text{ s x } 1 \text{ mW} + 1800 \text{ s x } 0.1 \text{ mW} = 1800 \text{ mWs + 180 mWs} = 1980 \text{ mWs}. Das entspricht 1.98 mWh über die Stunde hinweg.
• Bluetooth-Modul:
  • Das Bluetooth-Modul sendet die Daten alle 30 Sekunden für 2 Sekunden. In einer Stunde sendet es also 60 Mal je 2 Sekunden = 120 Sekunden.
  • Energieaufnahme während des Sendens: 120 Sekunden x 10 mW = 1200 mWs.
  • Standby-Zeit: 3600 Sekunden (total) - 120 Sekunden (Sendung) = 3480 Sekunden.
  • Energieaufnahme während des Standby-Modus: 3480 Sekunden x 0.5 mW = 1740 mWs.
  • Totaler Verbrauch des Bluetooth-Moduls pro Stunde: 1200 mWs + 1740 mWs = 2940 mWs. Das entspricht 2.94 mWh über die Stunde hinweg.
• Gesamter Energieverbrauch des Systems:
  • Addiere die Energieverbräuche der beiden Komponenten: 1.98 mWh (Sensor) + 2.94 mWh (Bluetooth) = 4.92 mWh.

Der durchschnittliche Energieverbrauch des Systems pro Stunde beträgt 4.92 mWh.

Aufgabe 3)

Design eines Wearables für gesundheitsüberwachende Funktion: Entwickle ein tragbares Gerät, das kontinuierlich die Vitalparameter eines Benutzers überwacht. Beachte dabei die gegebenen Designprinzipien und -prozesse, um sowohl die Benutzererfahrung als auch die Funktionalität zu optimieren. Der Fokus sollte auf einem umfassenden Designansatz von der Konzeption bis zum Prototyping liegen.

a)

Beschreibe den Prozess der Ergonomie, der berücksichtigt werden muss, um sicherzustellen, dass das Wearable komfortabel und benutzerfreundlich ist. Erkläre mindestens vier Faktoren, die bei der Ergonomie eines tragbaren Geräts berücksichtigt werden sollten und wie sie umgesetzt werden können.

Lösung:

Ergonomieprozess für ein gesundheitsüberwachendes Wearable:Bei der Gestaltung eines tragbaren Geräts, das kontinuierlich die Vitalparameter eines Benutzers überwacht, spielt die Ergonomie eine entscheidende Rolle. Um sicherzustellen, dass das Wearable komfortabel und benutzerfreundlich ist, müssen verschiedene ergonomische Faktoren berücksichtigt werden. Hier sind vier wesentliche Faktoren und wie sie umgesetzt werden können:

• Tragekomfort: Der Tragekomfort ist entscheidend, damit das Wearable über längere Zeiträume genutzt werden kann. Um den Komfort zu maximieren, sollten Materialien gewählt werden, die leicht, atmungsaktiv und hautfreundlich sind. Das Design sollte ergonomisch geformt sein, um sich an die Konturen des Körpers anzupassen und Druckstellen zu vermeiden.
• Gewicht und Größe: Das Wearable muss leicht und kompakt sein, um den Benutzer nicht zu belasten oder seine Bewegungsfreiheit einzuschränken. Dies kann durch die Verwendung von leichten Materialien und einer minimalen Bauweise erreicht werden. Eine gezielte Platzierung der elektronischen Komponenten kann helfen, das Gewicht gleichmäßig zu verteilen.
• Einfache Bedienung: Die Benutzeroberfläche muss intuitiv und leicht verständlich sein. Große, leicht zugängliche Tasten und ein gut lesbares Display tragen zur Benutzerfreundlichkeit bei. Touchscreens oder Sprachsteuerungsoptionen können ebenfalls in Betracht gezogen werden, um die Bedienung zu erleichtern.
• Langlebigkeit und Robustheit: Da das Wearable täglich getragen wird, muss es langlebig und widerstandsfähig gegenüber äußeren Einflüssen wie Wasser, Schweiß und Stößen sein. Dies kann durch die Auswahl robuster Materialien und einer wasserdichten bzw. wasserabweisenden Bauweise erreicht werden.

Die Berücksichtigung dieser ergonomischen Faktoren stellt sicher, dass das Wearable nicht nur funktional, sondern auch angenehm zu tragen und einfach zu bedienen ist, was die Benutzerakzeptanz und die kontinuierliche Nutzung fördert.

b)

Erkläre die Wichtigkeit der Materialwahl in deinem Wearable-Design. Identifiziere und begründe die Auswahl von drei verschiedenen Materialien, die Du für Dein Gerät verwenden würdest. Berücksichtige dabei Aspekte wie Tragkomfort, Flexibilität und Robustheit. Unterstütze Deine Begründungen mit Beispielen möglicher Materialarten und deren Eigenschaften.

Lösung:

Wichtigkeit der Materialwahl im Wearable-Design:Die Materialwahl ist ein wesentlicher Aspekt beim Design eines Wearables, insbesondere eines Geräts zur Gesundheitsüberwachung. Um ein benutzerfreundliches, komfortables und robustes Produkt zu entwickeln, müssen Materialien sorgfältig ausgewählt werden. Hier sind drei empfohlene Materialien zusammen mit ihrer Begründung und ihren Eigenschaften:

• Silikon: Silikon ist ein beliebtes Material für tragbare Geräte, insbesondere für Armbänder. Es ist weich, flexibel und hautfreundlich, was den Tragekomfort erheblich erhöht. Silikon ist zudem hypoallergen und eignet sich gut für den täglichen, langfristigen Kontakt mit der Haut. Außerdem ist es wasser- und schweißbeständig, was es ideal für Fitness- und Gesundheits-Tracker macht.Beispiel: Viele Fitness-Tracker und Smartwatches verwenden Silikonarmbänder aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften.
• Edelstahl: Edelstahl ist ein ausgezeichnetes Material für die Gehäuse von Wearables. Es ist robust, langlebig und widerstandsfähig gegenüber Stößen und Kratzern. Edelstahl verleiht dem Gerät eine qualitativ hochwertige und professionelle Optik und schützt die internen Komponenten effektiv.Beispiel: Hochwertige Smartwatches verwenden oft Edelstahl für das Gehäuse, um sowohl ein ästhetisches Erscheinungsbild als auch eine hohe Langlebigkeit zu gewährleisten.
• Thermoplastische Polyurethane (TPU): TPU ist ein flexibles und robustes Kunststoffmaterial, das häufig in Wearables verwendet wird. Es bietet eine gute Balance zwischen Flexibilität und Stärke und ist widerstandsfähig gegen Abrieb. Außerdem hat TPU gute elastische Eigenschaften, was das Gerät komfortabler und anpassungsfähiger macht.Beispiel: TPU wird häufig für Schutzhüllen und -kappen in Wearables verwendet, um zusätzlichen Schutz zu bieten, ohne die Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit zu beeinträchtigen.

Die richtige Materialwahl stellt sicher, dass das Wearable nicht nur funktional und zuverlässig ist, sondern auch angenehm zu tragen und langlebig. Durch die Verwendung von Silikon, Edelstahl und TPU werden Komfort, Robustheit und Flexibilität gleichermaßen berücksichtigt, was zu einem hochwertigen und benutzerfreundlichen Produkt führt.

c)

Erstelle ein Konzept für die nahtlose Integration der notwendigen Elektronikteile in das Wearable, ohne den Tragekomfort zu beeinträchtigen. Diskutiere die Herausforderungen und möglichen Lösungen zur Minimierung der Größe und des Gewichts der elektronischen Komponenten. Zeichne ein schematisches Diagramm der geplanten Integration und beschrifte die wichtigsten Komponenten.

Lösung:

Konzept zur Integration der Elektronik in das Wearable:Die Integration der notwendigen Elektronikteile in ein gesundheitsüberwachendes Wearable stellt eine der größten Herausforderungen bei der Gestaltung dar. Ziel ist es, die Funktionalität sicherzustellen, ohne den Tragekomfort zu beeinträchtigen. Hier sind einige der Schlüsselherausforderungen und mögliche Lösungen zur Minimierung der Größe und des Gewichts der elektronischen Komponenten:

• Miniaturisierung der Komponenten: Moderne Technologien ermöglichen die Entwicklung extrem kleiner und leistungsfähiger elektronischer Bauteile. Durch die Nutzung von Mikrocontrollern, Mini-Sensoren und kompakten Batterien kann der Platzbedarf stark reduziert werden.
• Flexibles PCB-Design: Flexible Leiterplatten (Flexible Printed Circuit Boards, FPCBs) bieten eine hervorragende Lösung für die Integration von Elektronik in Wearables. Diese Leiterplatten sind biegsam und können sich an die Formen des Geräts anpassen, wodurch sie den Tragekomfort verbessern.
• Modularität: Ein modularer Aufbau, bei dem verschiedene Komponenten separat untergebracht und mit flexiblen Verbindungen verbunden werden, kann zu einer gleichmäßigeren Gewichtsverteilung führen und das Design optimieren.
• Integration von Batterien: Dünne, flexible oder gebogene Batterien können verwendet werden, um den Gesamtformfaktor des Wearables zu reduzieren. Auch die Nutzung von drahtlosen Lademöglichkeiten kann die Größe und Häufigkeit des Batterieaustauschs minimieren.

Schematisches Diagramm der geplanten Integration:

• A: Flexible Leiterplatte (FPCB) zur Verbindung aller Komponenten und zur Anpassung an die Form des Wearables.
• B: Kompakte Mikrocontroller-Einheit zur Datenverarbeitung.
• C: Sensormodule (z.B. Herzfrequenzsensor, Beschleunigungsmesser) zur kontinuierlichen Überwachung der Vitalparameter.
• D: Dünne, flexible Batterie zur Energieversorgung des Geräts.
• E: Drahtloses Lademodul für bequeme Aufladung ohne Kabel.
• F: OLED-Display für Benutzeroberfläche und Anzeige von Daten.
• G: Silikonarmband zur Befestigung des Wearables und Integration der FPCB.

Das Diagramm zeigt die Grundidee der Integration der verschiedenen elektronischen Komponenten innerhalb des Wearables. Durch die Verwendung flexibler und miniaturisierter Technologien wird sichergestellt, dass der Tragekomfort nicht beeinträchtigt wird und das Gerät dennoch alle notwendigen Funktionen zur Gesundheitsüberwachung erfüllen kann.

d)

Stelle einen Prototyping-Plan vor, der schnelle Iterationen ermöglicht, um dein Wearable zu verbessern. Erkläre den Prototyping-Ansatz und die Werkzeuge, die Du voraussichtlich verwenden wirst. Beschreibe, wie du Feedback von Nutzern sammeln und in den Verbesserungsprozess integrieren würdest. Füge einen Zeitplan für mindestens drei Iterationsrunden bei, der die wichtigsten Schritte und Meilensteine umfasst.

Lösung:

Prototyping-Plan für das Wearable:Um ein tragbares Gerät zu entwickeln, das kontinuierlich die Vitalparameter eines Benutzers überwacht, ist ein effektiver Prototyping-Plan unerlässlich. Dieser ermöglicht schnelle Iterationen, um das Design stetig zu verbessern. Im Folgenden wird der Prototyping-Ansatz, die verwendeten Werkzeuge sowie der Prozess zur Einbindung von Nutzerfeedback beschrieben. Außerdem wird ein Zeitplan für mindestens drei Iterationsrunden präsentiert.

• Prototyping-Ansatz: Der gewählte Ansatz basiert auf „Rapid Prototyping“ und „Design Thinking“ Prinzipien. Dabei wird schnell ein erster Prototyp erstellt, der dann kontinuierlich auf Basis von Nutzerfeedback und Testdaten verbessert wird. Dies fördert ein iteratives und nutzerzentriertes Design.
• Werkzeuge:
  • 3D-Drucker: Zur schnellen Erstellung von Gehäusemodellen und Anpassung der physischen Form des Wearables, um den Tragekomfort zu optimieren.
  • Platine und Mikrocontroller: Entwicklung und Programmierung von Prototyp-Leiterplatten (z.B. mit Arduino oder Raspberry Pi) zur Integration der Elektronik.
  • Sensortechnologie: Nutzung von fertigen Sensor-Modulen für Herzfrequenz, Bewegung usw., um schnell funktionale Prototypen zu bauen.
  • Softwaretools: CAD-Software (z.B. AutoCAD) für das Design des Gehäuses und der internen Struktur sowie Entwicklungsumgebungen (z.B. Arduino IDE) für die Programmierung.
• Nutzerfeedback-Sammlung und Integration: Nutzerfeedback wird in jeder Iterationsrunde gesammelt. Dies geschieht durch:
  • Umfragen und Interviews: Direktes Feedback von Nutzern durch gezielte Fragen zu Tragekomfort und Funktionalität.
  • Usability-Tests: Beobachtung der Nutzerinteraktion mit dem Prototyp, um Schwachstellen im Design aufzudecken.
  • Feedback-Tools: Einsatz von digitalem Feedback-Tools (z.B. Online-Formulare) zur Sammlung von Rückmeldungen.
  Das gesammelte Feedback wird analysiert und fließt direkt in die nächste Iterationsrunde ein.Zeitplan für drei Iterationsrunden:

  Phase	Aktivitäten	Dauer
  Iteration 1: Konzeption und erster Prototyp	Konzeptentwicklung Erstellung erster CAD-Modelle 3D-Druck des Gehäuses Integration der Elektronik Sammeln von erstem Nutzerfeedback	2 Wochen
  Iteration 2: Verbesserung basierend auf Feedback	Analyse des Feedbacks Designanpassungen im CAD-Modell Optimierung der Elektronik und Software 3D-Druck der überarbeiteten Teile Nutzerfeedback-Sammlung	3 Wochen
  Iteration 3: Endgültiger Feinschliff	Finale Analyse und Implementierung des Feedbacks Feinanpassung der Materialien und Komponenten Testen der langfristigen Zuverlässigkeit Erstellung des endgültigen Prototyps	2 Wochen

Durch diesen iterativen Prototyping-Plan wird sichergestellt, dass das Wearable kontinuierlich verbessert wird, um die bestmögliche Benutzererfahrung und Funktionalität zu gewährleisten.

Aufgabe 4)

Ergonomie und Benutzerfreundlichkeit bei Wearables: Wearables sollten so gestaltet sein, dass sie sowohl bequem als auch intuitiv zu bedienen sind. Wichtige Aspekte umfassen die ergonomische Gestaltung (Tragekomfort, Gewicht, Passform), die Benutzerfreundlichkeit (einfache Bedienung, intuitive Benutzeroberfläche und Verständlichkeit der Anzeigen), die Interaktion (natürliche Benutzerinteraktionen wie z.B. Gesten- oder Sprachsteuerung) und das Feedback (klare und sofortige Rückmeldungen an Benutzer wie z.B. haptisches Feedback oder Benachrichtigungen).

a)

1. Ergonomische Gestaltung: Ein Hersteller plant ein neues tragbares Gerät, das den ganzen Tag über getragen werden soll. Diskutiere, welche Aspekte der ergonomischen Gestaltung besonders wichtig sind und wie sie die Langzeitnutzung beeinflussen könnten. Beziehe Beispiele aus der Praxis ein und berücksichtige Aspekte wie Tragekomfort, Gewicht und Passform.

Lösung:

• Ergonomische Gestaltung bei Wearables:
• Tragekomfort: Der Tragekomfort ist entscheidend, wenn ein Gerät den ganzen Tag über getragen werden soll. Dies beinhaltet Materialien, die hautfreundlich und atmungsaktiv sind, um Hautirritationen zu vermeiden. Praktische Beispiele sind Armbänder aus weichem Silikon oder Kleidung mit integrierten Sensoren aus Baumwolle.
• Gewicht: Das Gewicht eines tragbaren Geräts sollte möglichst gering sein, um keine Belastung darzustellen. Beispielsweise wiegen moderne Fitnesstracker oft weniger als 30 Gramm, wodurch sie kaum bemerkbar sind. Ein zu schweres Gerät kann schnell unangenehm werden und zu Verspannungen oder Ermüdung führen.
• Passform: Die Passform muss anpassbar sein, um verschiedenen Körperformen und -größen gerecht zu werden. Verstellbare Armbänder, die je nach Bedarf angepasst werden können, oder flexible Gehäuse sind Beispiele aus der Praxis. Ein gut sitzendes Gerät bleibt in Position, ohne zu verrutschen oder zu drücken, was die Benutzerfreundlichkeit verbessert.
• Langzeitnutzung: Diese Aspekte beeinflussen die Langzeitnutzung erheblich. Ein Gerät, das bequem sitzt und leicht ist, wird eher regelmäßig und über längere Zeiträume hinweg getragen. Dies wiederum kann die Erreichung der gewünschten Gesundheits- oder Fitnessziele unterstützen und den allgemeinen Nutzen des Geräts steigern.

b)

2. Benutzerfreundlichkeit: Bei der Entwicklung der Benutzeroberfläche für ein neues Wearable, das von älteren Menschen genutzt werden soll, sind besondere Anforderungen zu beachten. Beschreibe diese Anforderungen und entwickle ein Konzept für eine intuitive Benutzeroberfläche, die diese Anforderungen erfüllt. Berücksichtige Aspekte wie einfache Bedienung und Verständlichkeit der Anzeigen.

Lösung:

• Benutzerfreundlichkeit bei Wearables für ältere Menschen:
• Anforderungen:
• Große und gut lesbare Schriftarten: Ältere Menschen haben häufig Sehprobleme, daher sollten alle Texte auf der Benutzeroberfläche groß und gut lesbar sein.
• Einfache und klare Symbole: Symbole sollten selbsterklärend und gut erkennbar sein. Piktogramme sollten einfach gestaltet und deutlich voneinander unterscheidbar sein, um Missverständnisse zu vermeiden.
• Intuitives Design: Die Benutzeroberfläche sollte logisch und einfach aufgebaut sein. Wichtige Funktionen sollten leicht zugänglich sein und nicht in Untermenüs versteckt werden.
• Taktile Rückmeldung: Haptisches Feedback bei der Bedienung hilft, die Eingabe zu bestätigen. Dies kann besonders nützlich sein, wenn auditive und visuelle Rückmeldungen nicht wahrgenommen werden.
• Sprachsteuerung: Eine Sprachsteuerung kann die Bedienung deutlich erleichtern, insbesondere für Personen mit motorischen Einschränkungen. Sprachbefehle sollten einfach und klar formuliert sein.
• Geringe Komplexität: Die Anzahl der Funktionen sollte auf das Wesentliche beschränkt sein, um Überforderung zu vermeiden. Funktionen sollten klar und leicht verständlich erklärt werden.
• Notruffunktion: Eine gut platzierte und einfach zu aktivierende Notruffunktion kann im Notfall schnell Hilfe holen.
• Konzept für eine intuitive Benutzeroberfläche:

1. Startbildschirm: Der Startbildschirm sollte nur die wichtigsten Funktionen anzeigen, wie zum Beispiel die Uhrzeit, Datum, Herzfrequenz und einen großen „Hilfe“-Button. Ein eindeutiges und gut sichtbares Menü-Icon kann den Zugang zu weiteren Funktionen ermöglichen.
2. Menüstruktur: Das Menü sollte einfach und flach gestaltet sein. Jedes Menüelement sollte eine klare und eindeutige Bezeichnung sowie ein leicht verständliches Symbol haben.
3. Einstellungen: Einstellungen sollten über ein einfach zugängliches Menü erreichbar sein und nur die wichtigsten Anpassungsmöglichkeiten enthalten. Optionen wie Schriftgröße und Kontraste können hier eingestellt werden.
4. Gestensteuerung: Klares, leicht verständliches Feedback bei der Nutzung von Gesten zur Navigation kann dabei helfen, die Handhabung zu vereinfachen. Zum Beispiel kann ein Wischen nach oben die „Zurück“-Funktion darstellen.
5. Sprachsteuerung: Eine leicht zugängliche Taste für die Sprachsteuerung ermöglicht es, Funktionen durch einfache Sprachbefehle auszuführen. Die Sprachsteuerung sollte auch offline funktionieren, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
6. Notruf: Ein dedizierter Notruf-Knopf, der leicht zu finden und zu aktivieren ist, kann Leben retten. Der Knopf sollte sich durch eine auffällige Farbe und Position hervorheben.
7. Feedback: Klare, unmittelbare Rückmeldungen bei jeder Eingabe durch Vibrationsalarme oder akustische Signale bestätigen die Aktionen des Nutzers und reduzieren Verwirrung.

c)

3. Interaktion: In einer Studie soll die Effizienz von Gesten- und Sprachsteuerung im Vergleich zu traditionellen Tasten bei der Nutzung eines Wearables analysiert werden. Formuliere eine Hypothese für diese Studie und beschreibe, wie Du ein Experiment zur Überprüfung dieser Hypothese gestalten würdest. Beschreibe auch, wie natürliche Benutzerinteraktionen Vorteile bringen können.

Lösung:

• Hypothese: Gesten- und Sprachsteuerung sind effizienter und benutzerfreundlicher als traditionelle Tasten bei der Nutzung eines Wearables.
• Experiment zur Überprüfung der Hypothese:
• Teilnehmer: Rekrutiere eine repräsentative Stichprobe von 30 Personen unterschiedlichen Alters und technischer Affinität.
• Gerät: Verwende ein Wearable, das sowohl Gesten- und Sprachsteuerung als auch traditionelle Tasten unterstützt.
• Aufgaben: Erstelle eine Liste von Aufgaben, die die Teilnehmer mit dem Wearable ausführen müssen, z.B.:
• Aktiviere den Timer.
• Lese eine Nachricht.
• Starte die Herzfrequenzmessung.
• Erstelle eine Erinnerungsnotiz.
• Durchführung: Teile die Teilnehmer zufällig in drei Gruppen ein:
• Gruppe A verwendet Gestensteuerung.
• Gruppe B verwendet Sprachsteuerung.
• Gruppe C verwendet traditionelle Tasten.
• Alle Teilnehmer führen nacheinander die gleichen Aufgaben aus. Messe dabei die Zeit, die sie für jede Aufgabe benötigen, und notiere eventuelle Fehler.
• Datenerhebung:
• Erfasse die benötigte Zeit für jede Aufgabe.
• Erfasse die Anzahl der Fehler pro Aufgabe.
• Führe nach Abschluss der Aufgaben eine Umfrage zur Zufriedenheit und empfundenen Benutzerfreundlichkeit durch.
• Auswertung:
• Vergleiche die durchschnittliche Zeit und Fehleranzahl zwischen den drei Gruppen.
• Analyse der Zufriedenheitsumfrage, um die subjektive Benutzerfreundlichkeit zu bewerten.
• Statistische Tests (z.B. ANOVA), um festzustellen, ob die Unterschiede signifikant sind.
• Vorteile natürlicher Benutzerinteraktionen:
• Gestensteuerung: Ermöglicht eine schnelle und intuitive Bedienung, ohne dass physische Tasten gedrückt werden müssen. Gerade in Situationen, in denen die Hände schmutzig oder nass sind, bietet die Gestensteuerung signifikante Vorteile.
• Sprachsteuerung: Besonders nützlich für Menschen mit eingeschränkter Mobilität oder Sehfähigkeit. Die Interaktion erfolgt verbal, was die Bedienung freihändig und somit in vielen Alltagssituationen einfacher macht.
• Effizienz: Beide Methoden können die Bedienung beschleunigen, da sie direkten Zugriff auf Funktionen ermöglichen, ohne durch Menüs navigieren zu müssen.
• Ergonomie: Reduziert physische Belastungen und kann die Langzeitnutzung des Wearables komfortabler gestalten.

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4. Feedback: Angenommen, Du entwickelst ein Wearable, das Fitness-Feedback gibt, z.B. die Herzfrequenzüberwachung. Entwirf ein Feedback-System, das klar und sofortige Rückmeldungen an Benutzer gibt. Diskutiere die Vor- und Nachteile verschiedener Feedback-Methoden, einschließlich visueller Anzeigen, haptischem Feedback und akustischen Benachrichtigungen. Formuliere dabei eine mathematische Formel, die die Herzfrequenz in Abhängigkeit von der exergetischen Leistung beschreibt.

Lösung:

• Feedback-System für ein Fitness-Wearable:
• Feedback-Methoden:
• Visuelle Anzeigen: Das Display zeigt in Echtzeit verschiedene Fitnessdaten wie Herzfrequenz, Schrittanzahl, und Kalorienverbrauch an. Zum Beispiel könnte die Herzfrequenz in Form eines farbcodierten Tachometers dargestellt werden, wobei verschiedene Farben (Grün, Gelb, Rot) unterschiedliche Belastungsstufen anzeigen.
• Haptisches Feedback: Vibrationen informieren den Nutzer über wichtige Änderungen oder Warnungen. Zum Beispiel könnten schneller werdende Vibrationen eine zu hohe Herzfrequenz signalisieren, während langsamere Vibrationen für eine normale Herzfrequenz stehen.
• Akustische Benachrichtigungen: Töne oder Sprachausgaben informieren den Benutzer über bestimmte Ereignisse. Beispielsweise könnte ein Signalton erklingen, wenn die Herzfrequenz einen vordefinierten Zielbereich erreicht oder verlässt.
• Vor- und Nachteile der Feedback-Methoden:
• Visuelle Anzeigen:
• Vorteile: Bietet detaillierte Informationen und Statistiken. Benutzer können eine Vielzahl von Daten schnell anzeigen und analysieren.
• Nachteile: Nutzer müssen aktiv auf das Display schauen, was während des Trainings nicht immer möglich ist. Kleine Displays können schwer ablesbar sein.
• Haptisches Feedback:
• Vorteile: Diskret und in jeder Situation wahrnehmbar. Kein Blick auf das Display notwendig.
• Nachteile: Begrenzte Informationsmenge; kann bei übermäßiger Nutzung störend sein.
• Akustische Benachrichtigungen:
• Vorteile: Klare und direkte Kommunikation von Warnungen und Statusupdates. Freihändig bedienbar.
• Nachteile: Kann in stillen Umgebungen störend sein; abhängig von einer akustisch ruhigen Umgebung.
• Mathematische Formel:
• Zur Beschreibung der Beziehung zwischen Herzfrequenz (HF) und der exergetischen Leistung (P) könnte man folgende einfache Beziehung verwenden:

\begin{equation}    HF = a \times P + b\end{equation}

• wo:
• \(HF\) = Herzfrequenz (Schläge pro Minute)
• \(P\) = exergetische Leistung (Watt)
• \(a\) und \(b\) = empirisch bestimmte Konstanten
• Diese Beziehung ist linear und vereinfacht, könnte aber je nach individuellen physiologischen Unterschieden variieren. In der Praxis könnten genauere Modelle verwendet werden, die Faktoren wie Alter, Fitnessgrad und Ruheherzfrequenz berücksichtigen.

Implementierung: Das Wearable zeigt die aktuelle Herzfrequenz basierend auf der exergetischen Leistung an. Es gibt visuelle Warnungen (auf dem Display), haptische Signale (Vibrationen) und akustische Benachrichtigungen, wenn die Herzfrequenz über einen kritischen Schwellenwert steigt oder andere relevante Veränderungen eintreten. Dadurch bleibt der Nutzer stets informiert und kann Maßnahmen ergreifen, um sicher und effizient zu trainieren.