Wearable Computing

Bachelorarbeit von Daniela Bliem

Einleitung:

Trotz einem rasanten Fortschritt im Bereich von Miniaturisierung und zunehmenden Leistungskapazitäten der meisten mobilen Geräte weisen diese bis heute doch zumeist eine eher sperrige und wenig benutzerfreundliche Gestaltung im Hinblick auf eine dynamische Nutzung auf. PDAs als auch Mobiltelefone sind klein und damit leicht tragbar, müssen aber in einer Tasche oder der Hand platziert werden und schränken den Benutzer oftmals nicht nur im Hinblick auf Ein- bzw. Ausgabe, sondern auch Leistung und Bewegung ein. Aufwendigere Multimedia-Geräte (z.B. SmartPhones bis hin zu Laptops) erlauben zwar die Bewältigung von anspruchsvolleren Aufgaben, ihre Größe steigt jedoch wiederum proportional mit ihren Fähigkeiten an und macht sie damit allein aufgrund ihres Formfaktors immer weniger geeignet für eine wirklich mobile Nutzung.

Den überwiegenden Teil der Zeit bleiben heutige mobile Geräte deshalb inaktiv und werden mehr von Ort zu Ort getragen als dass sie unterwegs in Anspruch genommen werden. Wearable Computing setzt hier an und möchte dem Benutzer eine Möglichkeit zur Verfügung stellen auch außerhalb statischer Aufenthalte die Fähigkeiten eines Rechnersystems zu nutzen. Dabei stehen vor allem Aspekte im Bereich der Mensch-Maschine-Interaktion (HCI, Human-Computer-Interaction) im Vordergrund: Um den Benutzer nicht zu behindern oder abzulenken müssen Systeme dieser Art beispielsweise möglichst unsichtbar bleiben, d.h. klein, leicht und unaufällig wie ein Kleidungsstück, gleichzeitig müssen sie sich jedoch mitteilen oder Eingaben entgegen nehmen können und dafür entspechende Schnittstellen anbieten.

Allein aus physiologischen Gründen kommen auch im Bereich des Wearable Computing meist visuelle Ausgaben und taktile Eingaben zum Zuge. Anders als bei herkömmlichen mobilen Rechnern können sie sich der menschlichen Wahrnehmung jedoch nur überlagernd darstellen und damit einen Teilbereich der humanen Sinne in Anspruch nehmen um den Benutzer nicht von der realen Umwelt abzuschneiden. Für eine wirklich mobile Nutzung erfordern Computer dieser Art darüber hinaus einen permanenten Betrieb – nur so kann gewährleistet werden, dass der Benutzer nicht seine bisherige Tätigkeit für eine Aktivierung unterbrechen muss und damit in einen statischen Modus wechselt. Gerade dieser Umstand führt letztendlich jedoch auch dazu, dass direkt am Körper getragene Computer einen ausnehmend persönlichen Interaktionsraum zwischen Mensch und Computer formen – jeder Nutzer ist gewissermaßen von einer Wolke digitaler Informationen umgeben.

Beide Aspekte – der hohe Individualisierungsgrad und als auch permanente Betriebsmodus – haben dazu geführt dass am Körper getragene Systeme Probleme und Aufgaben bewältigen können, die den meisten anderen Computern eher fremd sind. Sie können direkt ermessen in welchem Zustand sich der Benutzer befindet (beispielsweise mittels Körpersensoren) und gleichzeitig Feststellungen zu Ort, Zeit und vielen anderen Umweltfaktoren des Benutzers treffen und ihre Verhalten danach ausrichten, kurz: sie können den jeweiligen Kontext erfassen und auch darauf reagieren. Diese eher ungewohnte Funktionalität hat mittlerweile zu einer Vielzahl an Visionen für neuartige Benutzerszenarien und Anwendungsbereiche geführt und zeigt sich auch in der praktischen Anwendung als einer der einflussreichsten Aspekte des Wearable Computing. Aus diesem Grund wurde das Thema Kontext auch im Rahmen dieser Arbeit als ein wesentlicher Schwerpunkt gewählt und anhand aktueller Konzepte und Verfahren näher beleuchtet.

Gleichzeitig steht Wearable Computing jedoch einer Vielzahl an mehr oder minder massiven Problemen gegenüber: so existieren bislang keine wirklich überzeugenden Ein-/Ausgabe-Geräte für diese neuartige Mensch-Maschine-Schnittstelle und die derzeit größte Hürde – eine ausreichende Energieversorgung die den Ansprüchen eines Dauerbetriebes gerecht wird – scheint ebenfalls noch in weiter Ferne. Beide Themenbereiche wurden deshalb ebenfalls exemplarisch herausgegriffen um auch die aktuellen Herausforderungen des Wearable Computing aufzuzeigen.

Herkömmliche Lösungen versagen jedoch oftmals nicht nur im Bereich der direkten Mensch-Maschine-Kommunikation, sondern auch bezüglich potentieller Architekturen. Im Gegensatz zu Desktop- oder Notebook-Rechnern sind kompakte Einzelboxen meist nur wenig wünschenswert, da sie die Bewegungsfreiheit des Benutzers in einem zu hohen Ausmaß einschränken würden. Etabliert haben sich mittlerweile Modulsysteme deren einzelne Komponenten möglichst tragefreundlich über den Körper verteilt werden. Diese Herangehensweise bringt jedoch ein anderes Problem mit sich: die jeweiligen Elemente benötigen nun ein neuartiges Bussystem über welches sie miteinander kommunizieren können ohne den Benutzer zu stören. Um die aktuellen Lösungen aus diesem Bereich aufzuzeigen wurden Aspekte der Vernetzung als letztes Kapitel für eine Vertiefung gewählt.

Gang der Untersuchung:

Nachfolgend wird ein grober Überblick zu jedem Kapitel gegeben. Darüber hinaus findet sich im Einleitungsbereich jedes (längeren) Kapitels ebenfalls eine kurze Zusammenfassung der jeweils behandelten Themenbereiche (s.d.). Die digitale PDFVersion dieser Arbeit verfügt außerdem über entsprechende PDF-Bookmarks um direkt zwischen den verschiedenen Kapiteln zu navigieren.

Kapitel 1. Einleitung: Dieses kurze Kapitel gibt eine grobe Vorstellung zum Inhalt der vorliegenden Arbeit und – im Rahmen dieser Übersicht – auch einen Leitfaden zum Inhalt der jeweiligen Kapitel. Kapitel 2. Grundlage: Das einführende Grundlagenkapitel zeigt wesentliche Aspekte des Wearable Computing auf, insbesondere auch seine Potentiale und Grenzen in Gegenüberstellung zu vergleichbaren Technologien wie Ubiquitous Computing. Darüber hinaus werden neben einem historischen Abriss auch grobe Einblicke in Grundlagenverfahren für eine erhöhte Tragefreundlichkeit („Wearability“) gegeben und sowohl der typische Aufbau eines Wearable Computing-Systems als auch seine aktuellen Typen vorgestellt.

Kapitel 3. Energieversorgung: Im Rahmen dieses Kapitels werden wesentliche Technologien für eine Energieversorgung im Bereich des Wearable Computing beschrieben, allen voran Batterien, aber auch mögliche Nachfolger wie beispielsweise Brennstoffzellen. Kurz gestreift werden auch Methoden zur mobilen Energieerzeugung, welche sich allerdings meist nur für Niedrigenergiesysteme eignen. Ergänzt wird das Kapitel darüber hinaus durch einen Überblick zu typischen Energieverbrauchern und mögliche Effizienzsteigerungen durch ein verbessertes Energiemanagement.

Kapitel 4. Vernetzung: Dieses Kapitel behandelt skalierte Methoden für eine Vernetzung im Bereich des Wearable Computing, die von busähnlichen Topologien am Körper („On-body“) über körpernahe Netzwerke („Near-body“) bis hin zu Verbindungstechnologien außerhalb des Humanbereiches („Off-body“) reichen. Obwohl zu allen drei Bereichen Anwendungsbeispiele und Technologien vorgestellt werden, liegt ein wesentlicher Schwerpunkt im Rahmen dieser Arbeit auf direkten Verbindungen am Körper selbst, die nebst drahtgebundener Lösungen vordergründig auch drahtlos erfolgen können und sollen.

Kapitel 5. Kontext: Ein wesentliches Kernthema dieser Arbeit findet sich in diesem Kapitel, das sowohl den allgemeinen Begriff von Kontext im Hinblick auf Wearable Computing erläutert als auch dessen mögliche Bedeutung in der Praxis. Dazu werden zunächst typische Herangehensweisen zur Dechiffrierung von Kontext als auch die daraus resultierenden Kontextmodelle vorgestellt und anhand von exemplarischen Beispielen erläutert. Anschließend werden die beiden wichtigsten Kontextquellen – Position als auch Identifikation – herausgegriffen und mittels aktueller Technologien konkretisiert.

Kapitel 6. I/O-Schnittstellen: Wearable Computing ist in vielen Fällen mit einer neuartigen Definition der Maschine-Mensch-Schnittstelle verbunden. Im Rahmen dieses Kapitels werden deshalb innovative Geräte zur Ein- als auch Ausgabe beschrieben und im Hinblick auf ihre Nutzbarkeit im Bereich von Wearable Computing bewertet. Das Kapitel schließt mit einigen typischen Applikationssbeispielen aus dem Bereich der Eingabedecodierung (Sprach-, Gesten-, Objekterkennung), welche die Voraber auch Nachteile einer softwareseitigen Lösung von Eingaben aufzeigen.

Kapitel 7. Ausblick: Im abschließenden Kapitel findet sich ein kurzer Ausblick zu möglichen Entwicklungen im Bereich des Wearable Computing, ergänzt um eine persönliche Einschätzung der Technologie.

Inhaltsverzeichnis:

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 2.1.2, Wearable vs. Ubiquitous Computing:

Wearable Computing wird oftmals im gleichen Atemzug wie Ubiquitous Computing, kurz UbiComp, genannt, mitunter auch als spezielle Ausprägung desselben. Der Begriff wurde von Mark Weiser [siehe Abbildung 4] bereits 1988 eingeführt und kann in etwa mit „allgegenwärtig“ bzw. „überall verbreitet“ übersetzt werden, beschreibt also die Vision einer überall vorhandenen Informationsverarbeitung. Ein breites Publikum erreichte Weiser 1991 durch einen Grundlagenartikel im Scientific American in welchem er seine Vision schilderte, dass Computer in einer derart hohen (aber miniaturisierten) Anzahl präsent seien, dass sie nicht mehr wahrgenommen werden:

The most profound technology are those that disappear. They weave themselves into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it. … In our experimental embodied virtuality, doors open only to the right badge wearer, rooms greet people by name, telephone calls can be automatically forwarded wherever the recipient may be, reciptionists actually know where people are, computer terminals retrieve the preference of whoever is sitting at them, and appointment diaries write themselves.

Ubiquitous Computing enhances computer use by making computers available throughout the physical environment, while making them effectively invisible to the user.

Dieses „Netzwerk intelligenter Gegenstände“ wie es Weiser vorschwebt führte bereits kurz nach der Veröffentlichung zu einer umfassenden Diskussion. In seiner idealen Ausprägung sollte es nach Weiser sogar den herkömmlichen (Personal-) Computer zur Gänze ersetzen und zu einem „Internet der Dinge“ führen, welches einen ständigen Informationsaustausch der Objekte ermöglicht und so den Menschen unmerklich bei seinen alltäglichen Tätigkeiten unterstützt.

Dabei nannte Weiser vor allem zwei Aspekte welche ihm von maßgeblicher Bedeutung erschienen: Ort und Maßstab. Einerseits müssten diese Geräte ihre Umgebung kennen - sie müssten also beispielsweise wissen „wo“ sie sind -, andererseits sollten sie die unterschiedlichsten Größen aufweisen, je nach zu bewältigender Aufgabe. Um seine Ideen zu demonstrieren, entwickelte Weiser in den Jahren 1988 bis 1994 eine Reihe von „Tabs“, „Pads“ und „Boards“. Sie alle erfüllten den Zweck die Umwelt zu „aktivieren“– jedem Menschen sollten auf diese Art und Weise Hunderte von drahtlos vernetzten Rechnern zur Verfügung stehen, die von Notizzettel-Größe bis hin zu Geräten in Größe einer ganzen Bürowand reichen.

Weisers Ideen beeinflussten vor allem Hard- und Softwareansätze für neue Bürolösungen. Beide Ansätze, sowohl Ubiquitous Computing als auch das etwas später entstandene Wearable Computing distanzieren sich dabei von einer virtuellen Realität (Virtual Reality, VR) und streben stattdessen eine überlagerte Realität (Augmented Reality, AR) an. Gemäß beiden Auffassungen soll der Benutzer nicht mehr an eine Box an einem bestimmten Ort gebunden sein, sondern der Benutzer soll überall wo er hingeht auf eine Vielzahl von Computer treffen (UbiComp) oder im Wesentlichen einen einzigen individualisierten Computer am eigenen Körper tragen (WearComp). Gemein ist ihnen auch eine eher nüchterne Betrachtung bezüglich den Fähigkeiten einer Assistenten-Funktion durch Künstliche Intelligenz, welche bei keiner der beiden Lösungen als wesentlich oder unbedingt notwendig erachtet wird. In beiden Bereichen spielen darüber hinaus Aspekte wie energiearmer Verbrauch, drahtlose Verbindung, geeignete Netzwerkprotokolle und neuartige Displays eine wichtige Rolle.

Dennoch unterscheiden sich die Ideen in wichtigen Grundsätzen. Ganz offensichtlich ist zunächst das Mobilitätsschema bei beiden Visionen sehr unterschiedlich: in UbiComp muss der Benutzer im Wesentlichen keine Hardware mit sich tragen – stattdessen erkennt ihn das System und kann ihm an unterschiedlichsten Stellen verschiedene Dienste anbieten: der Benutzer bewegt sich in einer „intelligenten“ Umgebung. Damit wird der Benutzer einerseits von vielen Routineaufgaben befreit und kann zahlreiche Services nutzen, ist aber andererseits stark vom Vorhandensein dieses Umfeldes abhängig. Der typische WearComp-Benutzer benötigt umgekehrt zunächst eine entsprechende Hardware, kann sich mittels derer aber anschließend relativ frei bewegen. Vernetzung ist im Bereich von Wearables zwar möglich, aber nicht zwingend notwendig, weshalb ein Benutzer dieser Version zunächst vordergründig auf die Fähigkeiten seines Wearable angewiesen ist. Ist das Wearable unhandlich, schwer oder energieintensiv, setzt sich seine Brauchbarkeit stark herab. Auch ist ein Wearable-Benutzer meist von einer miniaturisierten Hardware umgeben, während einem UbiComp-Benutzer die volle Bandbreite an Ein- und Ausgabegeräten in sämtlichen Maßstäben zur Verfügung steht.

Auf den ersten Blick scheint der UbiComp-Benutzer wesentlich mehr Vorteile zu genießen: er muss nichts mit sich tragen und kann wesentlich mehr Soft- und Hardware nutzen. Dort wo keine „intelligente“ Umgebung vorhanden ist, kann diese geschaffen werden. Kritiker warfen deshalb relativ rasch ein, dass es sich bei Wearable Computing nur um eine unnötige Spielart handeln würde, die im Prinzip auch durch Ubiquitous Computing abgedeckt werden könnte. Vereinfacht ausgedrückt: Wozu Displays oder Kameras mit sich tragen, wenn überall, wohin man geht, bereits Displays und Kameras vorhanden sind?

Der größte Vorteil des Wearable Computing in Gegenüberstellung zum Ubiquitous Computing liegt ganz offensichtlich nicht im Grad der Mobilität, sonder vielmehr im Grad der Informationskontrolle. In einer UbiComp-Umgebung werden zahlreiche Daten an die Umgebung selbst übertragen bzw. diese sammelt personenbezogene Informationen um eine entsprechende Individualisierung zu erreichen. Gleichzeitig entsteht damit jedoch eine immense Datenmenge und diese ist zudem auf eine Vielzahl von Objekten verteilt: Probleme der Datenkontrolle wachsen durch diese Kombination explosionsartig an. Selbst wenn diese Daten nicht gespeichert werden, so ist es doch einer der Grundpfeiler des Ubiquitous Computing, dass mehr oder minder „intelligente“ Objekte miteinander kommunizieren und so das alltägliche Leben des Benutzers erleichtern. Ein simples Abhören würde also bereits reichen, um beispielsweise relativ exakte Benutzerprofile zu erhalten.

Der größte Vorteil des Ubiquitous Computing – eine allwissende und allgegenwärtige Computerumgebung – wird damit gleichzeitig zum größten Nachteil, da kaum jemand wissen bzw. kontrollieren kann wo sich welche Informationen befinden. Je mehr der Informationsgrad bzw. Informationsfluss eingeschränkt wird, desto mehr ähneln die einzelnen Objekte alleinstehenden und abgeschlossenen Einheiten und desto größer wird die Entfernung von der Grundidee des UbiComp. Zwar kann das Risiko eines Missbrauchs durch entsprechende Absicherung reduziert werden, es verhindert jedoch kaum das prinzipielle Entstehen solcher Informationen bzw. ihrer Verteilung.

Wearable Computing steht diesem Prinzip beinahe diametral gegenüber. Durch die starke Verbindung von Mensch und Computer werden Informationen regelrecht gekapselt, statt vieler Informationswege kommen einige wenige zum Einsatz. Zwar entstehen auch hier sehr sensible und möglicherweise wesentlich persönlichere Daten, jedoch nicht auf vielen, sondern lediglich auf einer Station. Die Kontrolle dieser Informationswege ist damit maßgeblich einfacher und reduziert sich auf die Verbindung zu externen Geräten bzw. Teilstationen untereinander. Auch kann der Benutzer wesentlich einfacher kontrollieren welche Informationen entstehen und welche er an die Außenwelt weiterleiten möchte.

Am Rande sei jedoch erwähnt, dass datenschutzrechtliche Bedenken im Bereich des Wearable Computing vor allem für die Umgebung entstehen können – so erlauben „unsichtbare“ WearComps nicht nur das Aufzeichnen von Gesprächen oder das unauffällige Ablichten von Umgebungen u.a.m. (ohne explizites Wissen anderer Personen), sondern auch die für das Umfeld nicht unbedingt einsichtige Nutzung von computergenerierten Informationen – beispielsweise als Schummelzettel bei Prüfungen oder zum Einsagen mittels externer Teilnehmer.

Trotz aller Unterschiede bleibt zusammenfassend jedoch festzuhalten dass beide Ideen – sowohl Ubiquious Computing als auch Wearable Computing – weniger auf einer revolutionären Technologie basieren, als vielmehr eine logische Konsequenz infolge der zunehmenden Miniaturisierung von Hardware-Elementen und dem Verlangen der Benutzer nach mehr Mobilität sind. Zusammen mit den Auswirkungen und Möglichkeiten des Internet als weitverteilte Computernutzung und den Problemen und Grenzen herkömmlicher Personal-Computer erscheint die Entwicklung beider Trends nur konsequent.

Mark Weiser bezeichnete es als „dritte Ära der Computernutzung“ [BLT03] und betitelte sie auch zugleich mit dem von ihm eingeführten Begriff des Ubiquitous-Computing. Demgegenüber stellte er Mainframes ab 1950 (1:n, d.h. viele Menschen bedienen einen Computer) und Personal Computer um 1975 (1:1, d.h. ein Computer wird von einem Menschen benutzt). Die Ära des Ubiquitous-Computing (n:1, d.h. jeder Mensch benutzt viele Computer) erscheint aus dieser Sicht nur logisch, auch wenn hier wohl zwischen der Weiser'schen Defintion und der Allgegenwart im Allgemeinen unterschieden werden muss.

Gerade letzteres geschieht jedoch häufig nicht, sodass das irreführende Bild entsteht dass allein die weite Verbreitung von Computerchips den Begriff des UbiComp bereits fassen könnte. Aus dieser Sichtweise würde jedoch beinahe jeder Rechner – vom herkömmlichen Desktop über Mainframes bis hin zu Mini-Computern in Kaffeemaschinen – nur mehr ein Teilsegment von einer allgegenwärtigen UbiComp-Landschaft darstellen und jede Rechnertypisierung hätte Ubiquitous Computing zur Wurzel. Diese Herangehensweise scheint deshalb nur wenig fruchtbar.

Eine andere, vielfach übersehene Perspektive ist jedoch die Nutzung von WearComps als einzelner UbiComp-Spot. Dieser Anwendungsfall könnte beispielsweise dann auftreten, wenn ein WearComp andere Rechnereinheiten eines Netzwerkes als Kontextinformation nutzt um sein eigenes Verhalten daran auszurichten, etwa wenn Wearables (ohne explizite Aufforderung) die Standortdaten der jeweils eigenen Benutzer abgleichen. Für Wearables ist diese Vorgangsweise eher untypisch, für UbiComp vorstellbar, wenn hierfür auch kaum die Leistungsfähigkeit eines ganzen WearComps nötig scheint. Letztendlich handelt es sich in diesem Fall demnach mehr um eine weitere Spielart von UbiComp – ein (weiterer) „intelligenter“ Gegenstand, der nun eben „anziehbar“ bzw. „tragbar“ ist. Mit der Grundidee von Wearable Computing hat dies (zumindest im Sinne Steve Manns) jedoch nur noch wenig zu tun.