Vorlesung 6: Wearables (Messen am Sportler))

Als wearables werden (Computer) Technologien bezeichnet, die am Körper getragen werden können.

Wearables dienen meist zur Unterstützung einer Tätigkeit in der realen Welt indem sie Informationen, Auswertungen und Anweisungen liefern.

Einsatzbereiche:

• Sport & Fitness (z.B Virtual Coaching, Activity Tracking)

• Wellness (Sleep/Emotion/Stress Tracking)

• Medizin (Vitalzeichenmessung, Diabetis Monitorung)

• Sicherheitsanwendungen und Industrie (Gefahrendetektion, Notrufmeldungen bei Sturz)

• Mode (Dekorative Lichter)

• Lifestyle Computing (Shedule Management, Interactive Gaming (VR))

• Auxetische Materialien

• PCM

• Textile Materialien mit Formänderung (Formgedächtnismaterialien)

• Materialien mit dilatantem Scherverhalten

• Piezolelektrische Textilien

• Thermoelektrische Textilien

• Photovoltaische Textilien

Dehnen sich unter Zug in beide Richtungen aus (negative Piossonzahl)

Anwendung z.B in Zelten oder Protektoren

Materialien mit dilatantem Scherverhalten ziegen mit zunehmender Schergeschw. zunehmende Viskosität. Sie werden also bei einem Aufprall hart und sind bei geringer Krafteinwirkung weich. Somit sind sie eigentlich das Gegenteil von dem was wir in Helmen brauchen, finden aber Anwendungen in schuss-& stichsicheren Westen.

Eine Potentielle Anwendung wäre vielleicht Protektoren bei Sportarten mit projektilähnlichem Spielgerät die Eishockey oder Baseball

(

Ungeeignet für Ski- / Fahrradhelme / Protektoren: Protektoren sollten Energie abbauen und bei einem Sturz nicht versteifen.

Diese Materialien sind geeignet für Stichsichere Westen.

)

PCMs können große Mengen an latenter Wärme zu einer konstanten Temp (beim Phasenübergang), aufnehmen und abgeben.

Kann z.B zum wärmen (z.B. in Handschuhen) und kühlen (z.B in Fahrrad- oder Einsatzhelmen) verwendet werden

Formgedächtnismaterialien ändern Form, Größe oder inneren Aufbau bei einem äußeren Stimulus (Temp, UV-Licht, Feuchtigkeit, Magnetfeld, pH-Wert).

Einwegmaterial:

Vorgeformter Aufbau, durch Stimulus unumkehrbarer Rückkehr in nicht vorgeformten Zustand (keine Wiederkehr in vorgeformten Zustand möglich)

Zweiwegmaterial:

kann zwischen zwei Zuständen wechseln

Anwendung

z.B. Aktive Membran mit Elektro-Osmose. Die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit des Materials kann über eine angelegte Spannung kontroliert werden. Wenn eine Spannung angelegt wird “pumpt” die Membran aktiv Schweis aus der Jacke (von Kjus)

Piezoelektischer Effekt: Trennung elektrischer Ladungen als Reaktion auf mechanische Verformung. Effekt kann auch umgekehrt werden (angebrachte Ladung -> Verformung)

Anwendungen:

• Materialien zur Dehnungsmessung (z.B. zur Kraftmessung in Fahrrädern, Schlägern etc.)

• Energieerzeugung unter ausnutzung mechnischer Verformung (z.B. in Schuhen)

• Schwingungsdämpfer im Tennisschläger (Piezoelektische Zug- & Druckfasern liefern elekt. Signal an Chip welcher das Signal zurückleitet und somit die Fasern verformt -> bis zu 50% Reduktion von Vibrationen)

• Thermoelektrische Materialien (Erzeugen Strom durch Temp. Gradienten); Material benötigt gute elektrische aber schlechte thermische Leitfähigkeit (um Temp. gradienten aufrecht zu erhalten)

  z.B. Thermogeneratoren in Skijacken welche Körperwärme nutzen um 100 - 300 μW Strom zu erzeugen (genug für kleine Sensoren z.B Herzfreq.)

• Photovoltaische Materialien (erzeugen eine Spannung durch beleuchtung)

  z.B für Strom bei Skitouren oder beim Campen

  
  

Alternativ

• CIS- Dünnschichtsolarzellen (dünne photovoltaische Folie) welche man auf einem Zelt oder beim Gehen auf einem Rucksack platzieren könnte (könnte man auch direkt einnähen)

• SpGM Patent: mechanische Energie der Fußbewegung bei Langlauf- oder Tourenski wird in der Bindung in elektrische Energie umgewandelt

EMG ist eine Methode zur Ermittlung des Kontraktionszustandes von Muskeln über die Registrierung der bei der Kontraktion entstehenden Spannungen (Potentiale).

Nein, EMG ist ein Maß für Muskelaktivität aber nicht für Muskelkraft.

Muskelaktivität und Muskelkraft hängen zwar stark voneinander ab aber sind nicht gleichzustellen.

Die Muskelkraft hängt zusätzlich z.B von der aktuellen länge des Muskels, und der Gelenkposition ab

• Frequenzierung (wie schnell und wie oft werden die Muskelfasern aktiviert (wie viele Enladungsimpulse))

• Rekrutierung (wie viel Synapsen und somit Muskelfasern werden aktiviert)

Frequenzierung

Die Entladungsimpulse/Spannungen zur Aktivierung von Muskeln sind frequenziert (wie Wechselspannung).

Ansonsten: Oberflächenelektroden

Über den Respiratorischen Quotienten:

zwei Verfahren:

• Gelenkleistung JPT (Joint Power Technique) &

• Muskelleistung

Gelenkleistung:

wird häufiger eingesetzt

Zusammenhänge zwischen Arbeit, Leistung, Moment & Winkelgeschw:

Muskelleistung:

in W/kg

Maximalwerte: ca 6,3 W/kg

Herr A. sollte die Leistung messen und nicht die Herzfrequenz, da es eine kurze Zeit dauert, bis sich die Herzfrequenz an die Belastungsänderung angepasst hat. Die Leistungsmessung am Fahrrad kann z.B. mit dem Kurbelspider umgesetzt werden

V02max und Energy Expenditure Berechnungen von allen untersuchten Wearables nicht genau genug für Applikationen im Sport oder der Medizin

HVR = Veränderung des zeitlichen Abstandes zwischen 2 Herzschlägen

Goldstandart: Rektalsonde

Alternativen:

• In-Body devices (Pille zum schlucken)

• Cosinuss in-ear device

• Zero heat-flux sensor