Kleidsame Elektronik

"Wearable Computer werden die Arbeitswelt der Blaukragen revolutionieren wie einst der Personal Computer den Bürobereich." Davon ist Michael Boronowsky, Geschäftsführer des Technologie-Zentrums Informatik der Universität Bremen, überzeugt. Was der Informatiker als "Wearables" bezeichnet, bedeutet auf deutsch schlicht: in Kleidung integrierte Computer. Elektronik zum Anziehen, optimiert für mobile Einsätze.

Der Wearable für den Arbeiter besteht aus einem Rechner mit Energieeinheit, einem Eingabe- und einem Ausgabegerät. Diese Grundausstattung kann um Sensoren, die Körperfunktionen messen, und elektronische Zusatzkomponenten unterschiedlichster Art erweitert werden. Generell gilt jedoch: Die elektronische Ausrüstung muss klein, leicht, robust, energiesparend und angenehm zu tragen sein.

Die Anwendungsmöglichkeiten der anziehbaren Elektronik sind vielfältig. Bei niedrigem Automatisierungsgrad könnten die Wearables zum Beispiel die Produktionseffizienz steigern, sagt Boronowsky. Ein denkbares Einsatzfeld wäre seiner Ansicht nach die Automobilherstellung in den neuen EU-Ländern: Der Arbeiter trüge dann eine Rechnereinheit in der Gürtelschnalle und Batterien sowie Anschlüsse am Gürtel.

Eine solche "QBIC Wearable Computing Platform" wurde von einem Team um Professor Gerhard Tröster von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich bereits entwickelt. Der Bildschirm, über den der Arbeiter Hilfe und Anweisungen erhält, ist in eine Brille integriert - ein Head Mounted Display (HMD). Mittels Radio Frequency Identification (RFID) erkennt die Elektronik am Körper des Benutzers, an welcher Stelle der Produktionskette er sich gerade befindet. So kann der Wearable seinem Träger über Kopfhörer erklären, was dort zu tun ist, oder ihm auf dem Bildschirm zeigen, wo jene Schraube sitzt, die er anziehen soll.

Das hört sich einfach an, steckt aber voller technischer Tücken. Das HMD besteht aus einem Spezialglas des israelischen Herstellers Lumus. Es lässt das Bild wie eine Holografie vor dem Auge entstehen, wenn der Brillenträger darauf fixiert. Stellt er sein Auge auf eine andere Brennweite ein, kann er daran vorbeischauen. Noch ist unklar, wie gut sich das System in der Praxis bewährt. Manchem Arbeiter könnten die Doppelbilder Kopfschmerzen bereiten. Ob der von den Bremer Informatikern für Inspektionsarbeiten entwickelte Spezial-Arbeitshandschuh als Eingabegerät dazu in Frage kommt, muss ebenfalls noch getestet werden. Durch eine leichte Handdrehung kann man mit dem Spezialhandschuh einen farbigen Balken über das Menü auf dem Display bewegen. Sobald sich der Balken über dem passenden Menüpunkt befindet, lässt sich die Eingabe durch festes Zusammenpressen von Mittelfinger und Daumen bestätigen.

Bei Wearables speziell für den Arbeitseinsatz steht die Funktionalität im Vordergrund: Sie sollen Informationen übermitteln, ohne die manuellen Tätigkeiten des Nutzers zu unterbrechen. Die Idee des Wearable Computing geht jedoch noch weit darüber hinaus. Ziel ist eine vollständige Integration der Elektronik in die Textilien, die auf dem Körper getragen werden. Zuletzt besteht die Festplatte selbst aus Fasern. Der Computer ist ein T-Shirt.

Ganz so weit sind moderne Freizeitjacken noch nicht. Auf dem Freizeitmarkt bedienen textile Wearables bislang eine Nische im Hochpreissektor für Menschen, die ohne Kabelsalat Musik hören und telefonieren wollen. Dazu sind lediglich die elektrischen Verbindungen zwischen den Peripheriegeräten über leitungsfähige Fasern in das Gewebe integriert. Levi's/Philips haben 2001 die erste - mittlerweile wieder aus der Produktion genommene - Multimediajacke für rund 2300 Mark auf den Markt gebracht. Von Burton Snowboards gibt es eine Winterjacke mit integriertem MDWalkman für 1000 Dollar. Und "mp3blue", eine sportliche Baumwolljacke im Parka-Stil, wird ab nächstem Jahr für 599 Euro übers Internet erhältlich sein.

Sie ist eine Gemeinschaftsproduktion von Infineon und dem Textilhersteller rosner. Ihre eingebaute Elektronik - eingewebte elektrische Leitungsbahnen und eine auf den Jackenärmel aufgedruckte Tastatur - ist waschbar. Das Modul mit MP3-Player, Akku und Bluetooth-Gateway muss allerdings vor dem Waschgang aus einer Halterung auf Brusthöhe genommen werden; Mikrofon und Kopfhörer sind aus dem Kragen zu entfernen. Bis zur endgültigen Marktreife müssen die Wearables freilich noch kleiner, leistungsfähiger und kostengünstiger werden, heißt es bei Infineon.

Auf der nächsten Optimierungsstufe werden dann nicht mehr nur Leitungsbahnen in den Stoff eingebaut, sondern die textilen Strukturen selbst übernehmen elektronische Funktionen. Ein erster Schritt in Richtung "gewebte Computer" sind etwa die waschbaren Transponder, die Christine Kallmayers Arbeitsgruppe am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration in Berlin gemeinsam mit dem Textilforschungsinstitut Thüringen-Vogtland entwickelt hat. Löning Hospitex, ein großer Hamburger Textilausstatter für Spitale und Pflegeheime, will Krankenhauswäsche mit diesen Funketiketten kennzeichnen, damit man die Wäschestücke problemlos nach Herkunftsort und Verschmutzungsgrad sortieren kann.

Die Etiketten, im Fachjargon RFID-Tags genannt, bestehen aus einem hauchdünnen Siliziumchip mit Antenne, der über Funk mit einem Lesegerät kommunizieren kann. Um einen Leseabstand bis zu zwei Metern zu ermöglichen, muss die in den Stoff integrierte Antenne eine Fläche von 60 Quadratzentimetern bedecken. Mit silberbeschichteten Polyamidfasern, deren Leitfähigkeit durch eine zusätzliche Goldbeschichtung verbessert wurde, haben die Ingenieure eine spiralförmige Antenne in den Wäschestoff eingewoben. Der feine Transponder-Chip ist mittels eines Interposers mit der vergleichsweise groben Antennenstruktur verbunden und durch eine Kapsel aus wasserundurchlässigem Material vor Nässe geschützt. Inklusive Kapsel ist der Chip nur 1,5 Millimeter dick und die gesamte Struktur so flexibel, dass weder Bügeln noch Knautschen dem Funketikett etwas anhaben kann. Selbst das Waschen bei 95 Grad ist inzwischen kein Problem mehr.

Während die gewebten Transponder vielleicht bald den Markt erobern, ist das Einsatzfeld für echtes "Fibercomputing" noch begrenzt. Mit ihrem "Sensate Liner" haben Sundaresan Jayaraman und Sungmee Park vom Georgia Institute of Technology in Atlanta 1997 den ersten Prototyp eines gewebten Computers in Hemdform entwickelt. Das Muscle-Shirt besteht aus Dupont Coolmax, einem leichten, strapazierfähigen Stoff. Darin integriert sind flexible optische und elektrisch leitfähige Fasern. Das können zum Beispiel mit Kupfer ummantelte Seidenfäden sein. Sensoren und Aktuatoren auf dem Hemd werden so miteinander zu einem datenverarbeitenden Netzwerk verbunden. Zwischen die Schaltkreise sind isolierende Textilien gewebt. Als Anschlüsse für die elektronischen Peripheriegeräte bieten sich Druckknöpfe an. Konzipiert wurde der Sensate Liner ursprünglich für militärische Zwecke. Schussverletzungen lassen sich mit seiner Hilfe sofort analysieren. Inzwischen wurde das Hemd für die Medizin weiterentwickelt und dient der Überwachung verschiedener Körperfunktionen von Patienten.

Langfristig schwebt Forschern wie Astrid Ullsperger, Juniorprofessorin für Tragbare Elektronik und Rechentechnik an der TU Cottbus, eine allgegenwärtige, doch nahezu unsichtbare Computertechnik vor. Ihre Vision für die Zukunft: "Die Computer stellen mir Informationen zur Verfügung, aber ich merke nicht, dass ich mit Computern lebe. Ich muss mich nicht mehr um Software, Hardware, Schnittstellen und sonstige Details kümmern, die Technik heute eher nervend für uns machen." Ein Schlüssel zu diesem "Invisible Computing" könnte die Entwicklung neuartiger Textilfasern sein. "Wenn die Faser intelligent wird, gibt es intelligente Fäden, daraus können Computer gesponnen werden, und am Ende gibt es wirklich intelligente Kleidung", bestätigt Wolf Hartmann, Geschäftsführer des Klaus-Steilmann-Instituts für Innovation und Umwelt in Bochum.

Nach dem Konzept des "unsichtbaren Computers" sollen die Rechner eines Tages nicht nur von der Bildfläche verschwinden, sondern auch so geschult sein, dass sie in der Lage sind, selbstständig auf verschiedene Lebenssituationen ihrer Nutzer zu reagieren. Dazu könnte zum Beispiel ein für medizinische Zwecke entwickeltes drahtloses Beobachtungssystem dienlich sein, das so genannte "Body Area Network". "Das System checkt über Sensoren, die sich in Pflastern auf der Haut oder in eng anliegender Kleidung befinden, meine Körperfunktion", erläutert Ullsperger. "Beim Klingeln des Telefons etwa stellt es fest, ob ich mich durch einen Anruf gerade gestört fühlen würde. Mein emotionaler Zustand wird mit der Priorität des Anrufers abgeglichen. Dem Ergebnis entsprechend wird schließlich durchgestellt - oder auch nicht."

Das Prinzip der allgegenwärtigen Vernetzung mittels Kleinstcomputern lässt sich beliebig erweitern. Neben Kleidung sollen auch andere Gegenstände wie Türen oder Geschirr mitdenken lernen. Das leere Bierglas kommuniziert dann mit dem Wearable der Bedienung und bittet um Auffüllung. Elektronische Funktionen könnten sogar direkt in den menschlichen Körper integriert werden. Die bayrische Firma Ident Technology hat mit "Skinplex" ein Konzept für den Datentransfer über die menschliche Haut entworfen. Mit ihm lassen sich etwa Autotüren berührungslos öffnen: Ein schwaches elektrostatisches Feld, das von einer Elektronik im Scheckkartenformat erzeugt wird, ermöglicht dabei die Datenübertragung über die Haut, die als elektrischer Leiter dient. Die Plastikkarte, die das elektrische Feld erzeugt, kann überall am Körper getragen werden. Die Autotür mit dem darin installierten Empfänger muss nicht direkt mit der Haut in Kontakt kommen, das Feld ist stark genug, um mit einigen Zentimetern Abstand zu wirken. Das Produkt stehe auf der Schwelle zur Marktreife, sagt Stefan Donat, Mitgründer des Technologieunternehmens.

Auch wenn die Fortschritte im Wearable Computing nicht zu einem Mensch-Maschine-Mischwesen à la "Terminator" führen müssen, birgt die Verbreitung der Kleincomputer Gefahren. Datenschützer fürchten, dass allgegenwärtige Netzwerke in einen Überwachungsstaat münden könnten. Eine Analyse des Zentrums für Technologiefolgen-Abschätzung, TA Swiss, und des Instituts für Zukunftsstudien und Technologiebewertung aus dem Jahr 2003 warnt zudem vor Umweltproblemen bei der Entsorgung des Elektronikmülls, Reizüberflutung und "organisierter Unverantwortlichkeit": Das Verursacherprinzip stoße an seine Grenzen, wenn Computersysteme eine Komplexität annehmen, die keiner mehr überblicken kann. Wer wird zur Verantwortung gezogen, wenn der smarte Kühlschrank statt zwei Milchpackungen zweitausend bestellt?

Selbst Wearable-Fans wie Astrid Ullsperger halten nicht alles, was technisch möglich ist, auch für wünschenswert. "Man sollte von vornherein schauen, dass die Entwicklung in eine richtige Richtung geht." Die Juniorprofessorin ist jedoch sicher, dass die Wearables kommen werden. "Das ist einfach der technische Trend." (sma)