Bewegungs-, Temperatur- und Druck-Sensoren aber auch optische Systeme werden in atemberaubendem Tempo kleiner, billiger und schlauer. Die Dinge werden sinnlich.
Text: Anton Waldt aus De:Bug 127


Sinnliche Chips
Sensoren schrumpfen, Dinge wissen Bescheid

Mit dem Barcode-Nachfolger RFID erhalten potentiell alle Dinge eine Identität, womit sie auch “ansprechbar” werden. Der zweite Schritt auf dem Weg vom tumbem zum intelligenten Ding ist die Ausstattung mit Rechenkapazität, vulgo Chips, ein Prozess, der ganz offensichtlich rasend schnell voranschreitet. Der dritte Schritt besteht schließlich darin, den Dingen Sinne zu verpassen, damit sie ihre Umgebung verstehen können. Auch dabei werden derzeit revolutionäre Fortschritte erzielt.

Das eingängigste Beispiel für die Sinnes-Offensive sind die Gleichgewichtssensoren, die inzwischen in Digicams und Handys eingebaut werden, aber auch bei Nintendos Spielkonsole Wii in Form von bewegungssensitiven Controllern zum Einsatz kommen. Die neue Sensibilität in der Unterhaltungselektronik ist das Werk so genannter “MEMS”. “Micro Electro Mechanical Systems” sind Elektronik-Bauteile, bei denen mechanische Komponenten direkt auf einem Halbleiter platziert werden.

Der Boom der neuartigen Bauteile wurde zunächst durch eine Reihe technischer Durchbrüche möglich, aber erst die Nachfrage der Automobilindustrie nach Bewegungs-Sensoren für Airbags oder Elektronische Stabilitätsprogramme (ESP) hat einen Massenmarkt für MEMS entstehen lassen. Und mit diesem Boom der “mikro-elektromechanischen Systeme” haben die Gesetzmäßigkeiten der Chip-Fertigung auch in der Sensorik Einzug gehalten.

Billige Eindrücke
Gyroskope und Schwingungssensoren werden also permanent kleiner, billiger, leistungsfähiger und genügsamer im Energieverbrauch. Dieser Entwicklung verdanken wir beispielsweise die Anti-Verwackel-Funktion in Digicams, die auf Basis der Daten von MEMS-Gyroskopen eigentlich verwackelte Aufnahmen scharf rechnen. Oder eben die inzwischen gar nicht mehr so neuartige Game-Steuerung der Wii, die wiederum gut das atemberaubende Entwicklungstempo illustriert. Seit dem Erscheinen der Konsole vor knapp zwei Jahren hat sich die Leistung der MEMS nämlich schon wieder so drastisch verbessert, dass Nintendos Wii-Controller mit dem AddOn “MotionPlus” jetzt eine deutlich verfeinerte Raumsensorik erhalten.

Zusammengefasst
Billige Chips werden im Schweinsgalopp immer feinfühliger. Erste Resultate dieser Entwicklung jenseits von Handys, Games und Digicams sind etwa der schlaue Schuh oder der selbstbewusste Parkplatz. Der “iShoe” wurde von einem Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt und wird ausgerechnet durch seine Einlegesohle schlau. Diese registriert nämlich die Bewegungen des Trägers, die gesammelten Daten können damit am Rechner analysiert und so Gleichgewichtsprobleme festgestellt werden.

Vom Therapeuten werden die Einlegesohlen schließlich individuell instruiert, damit sie fortan auf falsche Belastungen mit nervigen Pieptönen oder dezentem Vibrationsalarm reagieren. Der schlaue Parkplatz entsteht unterdessen gerade in San Francisco und basiert auf Sensoren auf dem Asphalt, die wegen ihrer Robustheit “bumps”, also “Beulen” genannt werden. Diese registrieren, wenn sie von einparkenden Autos überfahren werden, und funken dies an die umstehenden Parkuhren, wodurch eine Echtzeiterfassung der Parksituation möglich wird.

Die Parkuhren sind wiederum drahtlos mit dem Internet verbunden, über das die gesammelten Informationen an einen zentralen Rechner gelangen. Dort werden die Daten aufbereitet und an einen Server geliefert, auf den die Autofahrer per Smartphone zugreifen können.

Alles auf Chip
MEMS sind allerdings nur ein Beispiel für das grundlegende Prinzip, mit dem die Dinge sensibel werden. Dieses Prinzip heißt “System on a Chip” oder SoC und bezeichnet die Integration möglichst vieler Funktionen auf einem Stück Silizium, wobei digitale und analoge Funktionseinheiten zusammen auf einen Chip gepackt werden. Die Vorteile liegen auf der Hand, wo das umständliche Digital-Analog-Wandeln und komplizierte Schnittstellen entfallen, werden die Dinge im Zeitraffer kleiner und billiger.

Diese Mechanismen gelten, wie oben ausgeführt, für die MEMS, aber eben auch für ihre Verwandten wie die MOEMS oder sogar Chips mit integrierten biologischen oder chemischen Komponenten, die leider noch keine funky Abkürzung erhalten haben. Hinter dem Kürzel MOEMS verbirgt sich derweil die Familie der “Micro Opto-Electrical-Mechanical Systems”, optische Systeme, die direkt auf dem Chip sitzen.

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Das ist zum Beispiel bei Wafer-Level Cameras (WLC) der Fall, hier werden optische Linsen direkt auf den Wafer – die Verarbeitungsform von Chips – gesetzt. WLCs wurden von der US-Firma Tessera entwickelt, und nach Firmenangaben bereiten derzeit eine Reihe taiwanesischer Auftragsfertiger die Massenproduktion von WLCs vor, erste Produkte mit den Winz-Kameras sollen demnach 2009 auf den Markt kommen.

Ähnliches Potential wie die Chip-Kameras könnten auch die Linsen der französischen Firma Varioptic haben, bei denen eine spezielle Linsenflüssigkeit durch das gezielte Anlegen von elektrischen Spannungen verändert wird. Die Vorteile liegen dabei auf der Hand, die Varioptic-Linsen sollen besonders kompakt sein, aber vor allem kaum störanfällig und trotzdem für den Dauer-Autofokus-Einsatz geeignet.

Denkt man sich die flüssige Autofokus-Linse und die Chip-Kamera zusammen, fehlt eigentlich nur noch die passende Software und man erhält so etwas wie eine automatische Fotomaschine. Und passenderweise hat Sony Ericsson gerade ein Patent angemeldet, mit dem manuelles Zoomen überflüssig werden soll: Die Kamera soll vielmehr ständig das aktuelle Bild analysieren und Objekte wie Personen automatisch heranzoomen.

Algen-Chips
Aber die Integration auf einem Chip und damit das Schlau-Werden der Dinge beschränkt sich nicht auf die Welt der Technik, das Prinzip erstreckt sich auch auf Chemie und Biologie. So bietet die US-Firma Gentag bereits einen mobilen und kostengünstigen UV-Strahlensensor an, der in Handys eingebaut werden kann, außerdem hat Gentag ein Patent für einen Geruchs-Sensor angemeldet, mit dem eine ganze Palette von Chemikalien in der Luft aufgespürt werden kann.

Dazu entwirft die Firma auch gleich mehrere Szenarien für den möglichen Einsatz: Zum einen sollen die Handy-Sensoren Terror-Anschläge verhindern, indem sie explosive oder toxische Stoffe einfach und dezentral aufspüren. Daneben sollen Asthmatiker und andere Allergiker von ihren Handys rechtzeitig vor einer erhöhten Konzentration heikler Substanzen in der Luft gewarnt werden.

Kollegen an der TU München haben unterdessen ein mobiles Kontrolllabor mit neuen Sensoren zur Erkennung umweltschädlicher Stoffe ausgestattet und das Ganze per Mobilfunk vernetzt. Die neue Lösung zur flexiblen und mobilen Gewässerüberwachung basiert auf dem “Intelligent Mobile Lab” (IMOLA), in dem biohybride Sensoren, ein Handheld-Computer zur Verarbeitung der Messergebnisse sowie verschiedene Kommunikations-Schnittstellen untergebracht sind.

Um Giftstoffe in Flüssen und Seen aufzuspüren, kombinieren die Münchener Forscher die Sensorchips im IMOLA mit Algen, die auf bestimmte Giftstoffe besonders sensibel reagieren. Wenn die Konzentration einer der gesuchten Stoffe ansteigt, verändert sich der Stoffwechsel der Algen, was wiederum von den bioelektronischen Sensoren registriert wird. Einziger Haken an den Algen-Chips ist ihr Verfallsdatum, denn nach einem Monat sterben die Pflanzen auf dem Chip und müssen durch frische Algen ersetzt werden.

Sensor-Schwärme
Mit der Schrumpfung der Sensorschar für alle erdenklichen Zwecke entwickeln sich aber auch ganz neue Anwendungen, die weit über Anti-Verwackel-Systeme oder die Kontrolle eines einzelnen Gewässers hinausgehen. Behörden, Unternehmen und Wissenschaftler denken jedenfalls bereits über Anwendungen im ganz großen Stil nach, wobei vor allem die Allgegenwart der Mobiltelefone Kontroll-Phantasien in ganz neuen Dimensionen erregt.

Welche Potentiale in den gesammelten Informationen eines Handy-Schwarms stecken, zeigen beispielsweise die viel versprechenden Versuche der Navigationsfirma TomTom: Aus den Bewegungsmustern unzähliger Handys kann man das Verkehrsgeschehen in Echtzeit verfolgen und damit Engpässe oder Staus frühzeitig erkennen.

Und was mit Verkehrsdaten funktioniert, kann selbstredend auch mit beliebigen anderen Daten realisiert werden, so beschäftigt man sich im US-Heimatschutz-Ministerium schon einige Zeit mit der Idee, Sensoren in Mobiltelefonen zu platzieren, die Giftgas, radioaktive Strahlung oder biologische Kampfstoffe melden können. Die Daten vieler solcher Frühwarn-Handys könnten Terroranschläge noch in der Ausführungsphase erkennen und vielleicht verhindern.

US-Wissenschaftler der Purdue University haben die Idee bereits praktisch umgesetzt und im größeren Maßstab getestet. Dazu wurden Handys mit Sensoren für radioaktive Strahlung ausgerüstet und an Studenten verteilt. Mit den Geigerzählern in der Tasche gingen die Studenten anschließend ihrer gewohnten Studienroutine nach. Und siehe da: Die Sensoren erledigen die Aufgabe tatsächlich nicht im Alleingang, ein leistungsstarkes Frühwarnsystem entsteht vielemehr, wenn die Daten von einer Software kombiniert werden.

Dinge werden also nicht nur sinnlich schlau, durch ihre Vernetzung entwickeln sie auch ein Eigenleben. Aber das muss nicht zwangsläufig in düsteren Sci-Fi-Szenarien mit Menschen-feindlichen Maschinen enden. Viel wahrscheinlicher ist es, dass wir aufgeweckte Dinge für unsere Zwecke einspannen und Sensorenparks bald selbstverständlicher Bestandteil unserer persönlichen Digitalsphäre werden.

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Elektronische Lebensaspekte.