Empfänger für Touch-Kommunikation
Batterielebensdauer ist ein wichtiger Faktor in am K?rper tragbaren Ger?ten. Sie sollten immer empfangsbereit für Kontrollsignale sein, ohne viel Energie zu verbrauchen. Forscher an der ETH Zürich haben nun einen leistungslosen Empf?nger für Touch-Kommunikation entwickelt, der seine Energie direkt aus dem Signal erh?lt.
Elektronische Apparate, die stets funktionstüchtig sind und auf unsere Befehle warten, gibt es nicht umsonst. Einigen Sch?tzungen zufolge ist der Energieverbrauch von Fernsehger?ten, DVD-Spielern, Waschmaschinen und anderen Ger?ten im Standby-Modus für bis zu einem Viertel des in einem durchschnittlichen Haushalt ben?tigten elektrischen Stroms verantwortlich.
Das Problem wird noch akuter, wenn es um batteriebetriebene Ger?te geht – besonders solche der neuen Generation des Internets der Dinge, und am K?rper tragbaren Ger?ten wie zum Beispiel Fitness-Trackern. Diese sollen st?ndig empfangsbereit sein, was aber auch bedeutet, dass sie durchgehend Energie verbrauchen und Batterien damit schnell in die Knie gehen. Zudem stellen Steuerungssignale, die mittels Radiowellen übermittelt werden, ein Sicherheits- und Datenschutzrisiko dar. Michele Magno, Forscher im Department Informationstechnologie und Elektrotechnik der ETH Zürich, hat nun einen cleveren Weg gefunden, diese Probleme zu beheben.
Inspiration von Disney
?Der Trick besteht darin, die n?tige Energie zum Empfangen eines Aufweck-Befehls mittels eines ?Touch“, also einer Berührung, direkt aus dem Sender zu gewinnen?, erkl?rt Magno, der seit vielen Jahren an Energiegewinnungs-Technologien (energy harvesting) arbeitet.
Die Idee für das neue Ger?t geht auf eine Zufallsbegegnung mit Forschern am Disney Forschungslabor in Zürich zurück, die an einem berührungsaktivierten Schalter interessiert waren, den sie in ihre Spielzeuge einbauen konnten.
?Ihr Ansatz beinhaltete einen Empf?nger, der die Batterien in wenigen Stunden geleert h?tte, und am Ende wurde nichts aus dieser Zusammenarbeit?, sagt Magno, fügt aber gleich hinzu: ?Meine Neugier war allerdings geweckt, und ich glaubte wirklich daran, dass ein solcher Empf?nger nur Aussicht auf Erfolg haben würde, wenn er keine Energiequelle ben?tigte. Ich machte mich also an die Arbeit an einem Prototyp, den ich im Sinn hatte – in meiner Freizeit und sp?ter mit der Hilfe meiner Masterstudenten Philipp Mayer und Raphael Strebel.?
Energiegewinnung durch Berührung
In der Zwischenzeit hat Magno seine Idee zum Patent beim Europ?ischen Patentbüro eingereicht. Das Prinzip ist simpel, aber gleichzeitig anspruchsvoll: Der Empf?nger, der keine eigene Batterie hat, empf?ngt Signale über eine Elektrode, wenn diese von einem menschlichen K?rper berührt wird. Damit der Empf?nger aufgeweckt wird, schickt der Sender dem eigentlichen Signal – das aus einer modulierten elektromagnetischen Welle mit einer Frequenz von einigen Megahertz besteht - eine nur wenige Millisekunden dauernde ?Pr?ambel? voraus, die keine Informationen enth?lt.
Die Energie, die der Empf?nger in dieser Zeitspanne aufnimmt, wird in einem Kondensator gespeichert, der dann als Energiequelle für das Empfangen und Dekodieren des Kontrollsignals fungiert. Andere energiehungrige Ger?te im Schlafmodus k?nnen dann vom Empf?nger ihrerseits geweckt werden, vorausgesetzt, die richtige Identifikation wurde empfangen.
?Auf diese Weise haben wir einen wirklichen leistungslosen Empf?nger, der auf verschiedenste Weisen eingesetzt werden kann?, erkl?rt Magno, ?wie zum Beispiel in Berührungssensoren im Auto, die einen erkennen und die Türen ?ffnen. ? Dies k?nnte viel sicherer sein als die derzeit benutzten Radiowellen-Technologien wie RFID, die ihre Signale über gr??ere Entfernungen übermitteln und deshalb anf?llig für Lauschangriffe sind.
Ein weiteres interessantes Anwendungsfeld ist die Intra-K?per Kommunikation, bei der zum Beispiel zwei am K?rper getragene Ger?te miteinander kommunizieren, oder Handshake-Informationsübertragung zwischen zwei Benutzern. Magno und seine Kollegen haben gezeigt, dass der Prototyp ihres Empf?ngers eine Reichweite am K?rper von mehr als 1,7 Metern hat, wodurch Kommunikation zwischen dem Handgelenk und einem beliebigen anderen K?rperteil eines Tr?ger m?glich ist.
Ideale Bedingungen an der ETH
Wenn Michele Magno über seine neueste Arbeit spricht, ist seine Begeisterung spürbar, und er hat ehrgeizige Zukunftspl?ne. Mit Hilfe von ETH Transfer plant er, Start-Up Unternehmen zu gründen, die seinen Prototyp zu marktf?higen Produkten weiterentwickeln, deren Einsatzgebiete von der Touch-Kommunikation bis zur Zugüberwachung reichen.
Um dorthin zu kommen, wo er jetzt ist – aktiv beteiligt an etwa zehn verschiedenen Forschungsprojekten mit mehr als einem Dutzend Doktoranden, Masterstudenten und Postdoktoranden – hat er einen langen Weg hinter sich, der an seiner Alma Mater in Bologna begann, wo er 2010 promoviert wurde. Nach einem kurzen Abstecher an die ETH Zürich w?hrend seiner Doktorarbeit arbeitete er ein paar Jahre lang als Postdoktorand in Irland und Frankreich, lehnte aber letztendlich Jobangebote als Assistenzprofessor ab – stattdessen nahm er lieber eine Postdoktorandenstelle an der ETH in der Gruppe von Luca Benini am Institut für Integrierte Systeme an, die mittlerweile zu einer Festanstellung geworden ist. Der Gedankengang hinter dieser Wahl war simpel, sagt er: ?Was ich in meiner jetzigen Position an der ETH machen kann, k?nnte ich selbst als Professor nirgendwo anders in Europa machen – die Bedingungen hier sind einfach ideal.?
Dennoch steht er weiterhin in engem Kontakt mit der Universit?t Bologna, was sich auch darin widerspiegelt, dass er dort Research Fellow ist und eine Gruppe von Studenten betreut, die sich sehr erfolgreich an Innovationswettbewerben von Technologiefirmen beteiligt. Wenn er nicht im Labor steht und neue Ger?te entwickelt, verbringt er gerne die Zeit mit seiner Familie: seiner franz?sischen Frau, die er in Irland kennenlernte, und seinen jungen Zwillingst?chtern. Und wer weiss – vielleicht wird ihr Spielzeug eines Tages die leistungslosen Empf?nger enthalten, die Papa erfunden hat.