Wearable AI

Miniaturisierte Sensoren, die große Leistung mobiler Prozessoren und die große Akzeptanz mobiler Endgeräte ermöglichen ein weites Spektrum von Anwendungen mit Komponenten des Wearable Computing. Pulsmesser zeichnen die Herzfrequenz beim Laufen auf, Trackinganzüge ermöglichen Bewegungsanalysen, messen die Leitfähigkeit der Haut und stellen unser Stressniveau fest, Schrittzähler für Wanderer oder Blutdruckmessgeräte, das sind nur einige Beispiele für Wearable Technologien die bereits heute eingesetzt werden. Der Bedarf an solchen Systemen zur Eigenkontrolle (Quantified Self) steigt stark.

Das neue Kompetenzzentrum „Wearable AI“ bündelt die Forschungsaktivitäten verschiedener DFKI-Forschungsbereiche und dient als gemeinsame Entwicklungs- und Kollaborations-Plattform. Es ist die zentrale Anlaufstelle für alle Projekte und Anwendungen am Körper tragbarer Technologien. Es dient als Informationszentrale für internationale Wissenschaftler und Industriekontakte. Die konkreten Anwendungsszenarien in den Projekten kombinieren Geräte für den Endverbraucher mit  professioneller Spezialausrüstung zur High-Performance Analyse. Das Kompetenzzentrum ist eine einzigartige Demonstrationsplattform für die anwendungsorientierte Forschung. Die Mitarbeiter arbeiten in interdisziplinären und multinationalen Teams, deren technologisches Tiefenwissen aus den verschiedenen Disziplinen in die Entwicklung anwendungsnaher Prototypen einfließt. Physiker, Ingenieure und Informatiker arbeiten zusammen mit Designern, Ärzten, Technikern oder Biologen.

Die wissenschaftlichen Aktivitäten lassen sich in vier Themengebiete untergliedern:

Wearable System Design

Die Entwicklung und das Design von Wearable-Systemen unterscheiden sich maßgeblich von der Herstellung herkömmlicher mobiler Endgeräte. Der Einbau berührungssensitiver Oberflächen mit Touch-Interaktion ist oft nicht möglich, Sensoren und andere Komponenten sind meist verteilt und das Software-Design über mehrere Knoten gestreut. Das spezielle Augenmerk liegt auf der Planung und dem Zusammenbau der einzelnen Soft- und Hardwarekomponenten, insbesondere der Stromversorgung, dem Design der Software-Architektur, der Implementierung von Sensoren und Aktuatoren und deren Integration in die Textilien.
Aktuelle Entwicklungen in diesem Bereich zeigen, dass die Erfahrungen der mobilen Entwicklung mit Smartphones nicht direkt auf den Bereich eingebetteter Textil-Systeme übertragen werden können. Im Kompetenzzentrum werden, unter Berücksichtigung der Benutzerakzeptanz, neue robuste und unauffällige Komponenten sowie ein spezielles Design für die unsichtbare Integration entwickelt.

Wearable Sensing

Die Möglichkeit Geräte sehr nahe an verschiedenen Körperteilen anzubringen eröffnet völlig neue Konzepte: Von neuen Methoden zur Messung von Vitaldaten über die Erkennung von Emotionen bis hin zu verschiedenen internen Körperfunktionen. Unsere Sensing-Konzepte kombinieren die zuverlässige Messung und Extraktion von Informationen mit einer Vielzahl von Anforderungen für Wearables: Flexibilität, Tragekomfort, Gewicht, Stromverbrauch, Preis und die Toleranz von Bewegungsartefakten. Der Entwurf, das Design, die Implementierung und das Testen neuer tragbarer Sensoren ist eine wesentliche Schlüsselkompetenz des DFKI. Aktuelle Entwicklungen fokussieren auf neue kapazitive Sensoren für das Ernährungsmonitoring, neue Magnetsensoren zur Erkennung von Bewegungen (Motion Tracking) und skalierbare textile Sensormatrizen. 

Daten Analyse

Die Nutzung von eingebetteten verteilten Netzwerken von Sensoren und Aktuatoren generiert eine große Menge an Daten. Diese müssen analysiert und verarbeitet werden, um ein interaktive Rückmeldung zu ermöglichen. Im Unterschied zu Standardapplikationen auf dem Arbeitsplatzrechner wird dem mobilen Charakter der Wearable Technologien Rechnung getragen. Stromversorgung, Speicher- und Prozessorkapazität sind limitierte Ressourcen, besonders wenn sie für den Langzeitbetrieb konzipiert werden.
Aktuelle Forschungsthemen sind die robuste Aktivitätserkennung, die personalisierte Verarbeitung von Daten, die umweltbewusste Fusion der Sensordaten und Benutzermodelle. Das Monitoring von Daten im Bereich der physikalischen und mentalen Gesundheit und verschiedene Systeme zur personalisierten Assistenz sind weitere wichtige Themen. Die neuen Systeme werden mit wichtigen Problemstellungen in den Bereichen Sicherheit, menschliche Akzeptanz und temporärer Verlust von Sensordaten konfrontiert.

Human Interaction

Tragbare Endgeräte sammeln viele Daten über ihre Benutzer. Bewegungsdaten, Informationen über den aktuellen Standort oder Vitaldaten zur Gesundheitsanalyse sind nur einige Beispiele.  Systeme zur Online-Interaktion benötigen allerdings neue Kommunikationskanäle. Heute sind bereits viele Wearable Technologien verfügbar, beispielsweise am Kopf getragene Ausgabegeräte (head-mounted displays), allerdings ist deren Akzeptanzrate noch sehr gering. Gegenstand der Forschungsarbeiten sind deshalb unaufdringliche Kommunikationskanäle mit der Möglichkeit zur Rückmeldung in Echtzeit, beispielsweise haptisches Feedback über am Körper verteilte taktile Aktuatoren oder Feedback über Audiokanäle. Gerade wegen der großen Menge an aufgezeichneten Daten und den Informationen aus deren Analyse, liegt der besonderer Fokus unser Entwicklungen auf den Bereichen Benutzungsfreundlichkeit (Usabilty), Interaktionsdesign und kontextsensitiven multimodalen Benutzerschnittstellen. 

Anwendungen

Wearable Technologien bieten sehr viele verschiedene Anwendungen.  Sie reichen von einfachen Informationssystemen für den Kundenmarkt bis hin zum Langzeit-Monitoring für professionelle Benutzer. Der Bedarf an spezialisierten Applikationen  und dem spezialisierten Design von Wearable Systemen ist riesig. Es gibt viele verschiedene Anwendungsbereiche, die man anhand der spezialisierten Nutzung leicht identifizieren kann: Unterhaltung, Industrie, Gesundheit, Sport und Wissenschaft sind nur einige.  Die Entwicklung und Analyse für mobile tragbare Technologien orientieren sich am Bedarf der Nutzer sowie der optimalen Anpassung an spezialisierte Bedürfnisse.

Aktuelle Forschungsthemen

Die aktuellen Forschungsarbeiten des Kompetenzzentrums beinhalten die Entwicklung  von Anwendungen des User Monitorings mit verteilten heterogenen Sensorsystemen, die Sammlung und Analyse von Daten und die Entwicklung von Interaktionskomponenten. Ausgewählte Bereiche sind: 

  • On-Body Analyse von Daten  für interaktives Feedback in Echtzeit (Physikalische Übungen, Ergonomie, Workflow Assistenz).
  • Aktivitätserkennung und Bewegungsanalyse.
  • Neue Sensorik-Konzepte.
  • Online und offline Visualisierung der gesammelten Daten. 
  • Entwicklung von integrierten smarten Textilien.
  • Entwicklung optimierter Software und Hardware für einen möglichst geringen Stromverbrauch.
  • Hochpräzise Algorithmen und Anwendungen im Bereich Motion Tracking.
  • Indoor Lokalisationssysteme  zur Positionsbestimmung. 
  • Integration verschiedener Sensor-Typen: (EEG, EMG, Inertial, Visual, Capacitive).
  • Erkennung von Emotion und Stress.

Leitung

Prof. Dr. Paul Lukowicz
Tel.: +49 631 20575-4000
E-Mail: 

Prof. Dr. Gesche Joost
Tel.: +49 30 8353-58341
E-Mail: 

Kontakt

Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) GmbH

Prof. Dr. Paul Lukowicz
Forschungsbereich Eingebettete Intelligenz
Trippstadter Straße 122
67663 Kaiserslautern
Deutschland

Prof. Dr. Gesche Joost
Design Research Lab, Berlin University of the Arts
Einsteinufer 43
10587 Berlin
Deutschland

Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz
German Research Center for Artificial Intelligence