The 3rd International Conference on the Challenges, Opportunities, Innovations and Applications in Electronic Textiles

This reprint is a collection of papers from the E-Textiles 2021 Conference and represents the state-of-the-art from both academia and industry in the development of smart fabrics that incorporate electronic and sensing functionality. The reprint presents a wide range of applications of the technology including wearable textile devices for healthcare applications such as respiratory monitoring and functional electrical stimulation. Manufacturing approaches include printed smart materials, knitted e-textiles and flexible electronic circuit assembly within fabrics and garments. E-textile sustainability, a key future requirement for the technology, is also considered. Supplying power is a constant challenge for all wireless wearable technologies and the collection includes papers on triboelectric energy harvesting and textile-based water-activated batteries. Finally, the application of textiles antennas in both sensing and 5G wireless communications is demonstrated, where different antenna designs and their response to stimuli are presented

The cockpit for the 21st century

Interactive surfaces are a growing trend in many domains. As one possible manifestation of Mark Weiser’s vision of ubiquitous and disappearing computers in everywhere objects, we see touchsensitive screens in many kinds of devices, such as smartphones, tablet computers and interactive tabletops. More advanced concepts of these have been an active research topic for many years. This has also influenced automotive cockpit development: concept cars and recent market releases show integrated touchscreens, growing in size. To meet the increasing information and interaction needs, interactive surfaces offer context-dependent functionality in combination with a direct input paradigm. However, interfaces in the car need to be operable while driving. Distraction, especially visual distraction from the driving task, can lead to critical situations if the sum of attentional demand emerging from both primary and secondary task overextends the available resources. So far, a touchscreen requires a lot of visual attention since its flat surface does not provide any haptic feedback. There have been approaches to make direct touch interaction accessible while driving for simple tasks. Outside the automotive domain, for example in office environments, concepts for sophisticated handling of large displays have already been introduced. Moreover, technological advances lead to new characteristics for interactive surfaces by enabling arbitrary surface shapes. In cars, two main characteristics for upcoming interactive surfaces are largeness and shape. On the one hand, spatial extension is not only increasing through larger displays, but also by taking objects in the surrounding into account for interaction. On the other hand, the flatness inherent in current screens can be overcome by upcoming technologies, and interactive surfaces can therefore provide haptically distinguishable surfaces. This thesis describes the systematic exploration of large and shaped interactive surfaces and analyzes their potential for interaction while driving. Therefore, different prototypes for each characteristic have been developed and evaluated in test settings suitable for their maturity level. Those prototypes were used to obtain subjective user feedback and objective data, to investigate effects on driving and glance behavior as well as usability and user experience. As a contribution, this thesis provides an analysis of the development of interactive surfaces in the car. Two characteristics, largeness and shape, are identified that can improve the interaction compared to conventional touchscreens. The presented studies show that large interactive surfaces can provide new and improved ways of interaction both in driver-only and driver-passenger situations. Furthermore, studies indicate a positive effect on visual distraction when additional static haptic feedback is provided by shaped interactive surfaces. Overall, various, non-exclusively applicable, interaction concepts prove the potential of interactive surfaces for the use in automotive cockpits, which is expected to be beneficial also in further environments where visual attention needs to be focused on additional tasks.Der Einsatz von interaktiven Oberflächen weitet sich mehr und mehr auf die unterschiedlichsten Lebensbereiche aus. Damit sind sie eine mögliche Ausprägung von Mark Weisers Vision der allgegenwärtigen Computer, die aus unserer direkten Wahrnehmung verschwinden. Bei einer Vielzahl von technischen Geräten des täglichen Lebens, wie Smartphones, Tablets oder interaktiven Tischen, sind berührungsempfindliche Oberflächen bereits heute in Benutzung. Schon seit vielen Jahren arbeiten Forscher an einer Weiterentwicklung der Technik, um ihre Vorteile auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Interaktion zwischen Mensch und Automobil, nutzbar zu machen. Und das mit Erfolg: Interaktive Benutzeroberflächen werden mittlerweile serienmäßig in vielen Fahrzeugen eingesetzt. Der Einbau von immer größeren, in das Cockpit integrierten Touchscreens in Konzeptfahrzeuge zeigt, dass sich diese Entwicklung weiter in vollem Gange befindet. Interaktive Oberflächen ermöglichen das flexible Anzeigen von kontextsensitiven Inhalten und machen eine direkte Interaktion mit den Bildschirminhalten möglich. Auf diese Weise erfüllen sie die sich wandelnden Informations- und Interaktionsbedürfnisse in besonderem Maße. Beim Einsatz von Bedienschnittstellen im Fahrzeug ist die gefahrlose Benutzbarkeit während der Fahrt von besonderer Bedeutung. Insbesondere visuelle Ablenkung von der Fahraufgabe kann zu kritischen Situationen führen, wenn Primär- und Sekundäraufgaben mehr als die insgesamt verfügbare Aufmerksamkeit des Fahrers beanspruchen. Herkömmliche Touchscreens stellen dem Fahrer bisher lediglich eine flache Oberfläche bereit, die keinerlei haptische Rückmeldung bietet, weshalb deren Bedienung besonders viel visuelle Aufmerksamkeit erfordert. Verschiedene Ansätze ermöglichen dem Fahrer, direkte Touchinteraktion für einfache Aufgaben während der Fahrt zu nutzen. Außerhalb der Automobilindustrie, zum Beispiel für Büroarbeitsplätze, wurden bereits verschiedene Konzepte für eine komplexere Bedienung großer Bildschirme vorgestellt. Darüber hinaus führt der technologische Fortschritt zu neuen möglichen Ausprägungen interaktiver Oberflächen und erlaubt, diese beliebig zu formen. Für die nächste Generation von interaktiven Oberflächen im Fahrzeug wird vor allem an der Modifikation der Kategorien Größe und Form gearbeitet. Die Bedienschnittstelle wird nicht nur durch größere Bildschirme erweitert, sondern auch dadurch, dass Objekte wie Dekorleisten in die Interaktion einbezogen werden können. Andererseits heben aktuelle Technologieentwicklungen die Restriktion auf flache Oberflächen auf, so dass Touchscreens künftig ertastbare Strukturen aufweisen können. Diese Dissertation beschreibt die systematische Untersuchung großer und nicht-flacher interaktiver Oberflächen und analysiert ihr Potential für die Interaktion während der Fahrt. Dazu wurden für jede Charakteristik verschiedene Prototypen entwickelt und in Testumgebungen entsprechend ihres Reifegrads evaluiert. Auf diese Weise konnten subjektives Nutzerfeedback und objektive Daten erhoben, und die Effekte auf Fahr- und Blickverhalten sowie Nutzbarkeit untersucht werden. Diese Dissertation leistet den Beitrag einer Analyse der Entwicklung von interaktiven Oberflächen im Automobilbereich. Weiterhin werden die Aspekte Größe und Form untersucht, um mit ihrer Hilfe die Interaktion im Vergleich zu herkömmlichen Touchscreens zu verbessern. Die durchgeführten Studien belegen, dass große Flächen neue und verbesserte Bedienmöglichkeiten bieten können. Außerdem zeigt sich ein positiver Effekt auf die visuelle Ablenkung, wenn zusätzliches statisches, haptisches Feedback durch nicht-flache Oberflächen bereitgestellt wird. Zusammenfassend zeigen verschiedene, untereinander kombinierbare Interaktionskonzepte das Potential interaktiver Oberflächen für den automotiven Einsatz. Zudem können die Ergebnisse auch in anderen Bereichen Anwendung finden, in denen visuelle Aufmerksamkeit für andere Aufgaben benötigt wird

Naturalness framework for driver-car interaction

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University LondonAutomobile dashboards are evolving into intelligent largely screen-based computer interfaces. Recent evidence suggests unnatural aspects of some secondary systems (including infotainment systems). Naturalness of interaction is a minority discipline not yet applied to the automobile; while automotive interface research is a mainly quantitative discipline that has not yet applied a naturalness approach. To advance the field, a measurement scale based on rigorous qualitative exploration of natural-feeling interaction with secondary controls was required. Study 1 used ethnographic interview with Contextual Inquiry inside 12 ordinary drivers’ cars, to investigate natural-feeling aspects of past, present and future driver-car interactions. Thematic analysis suggested a framework of ten characteristics. Half concerned control and physicality; half concerned perceived socio-intelligent behaviours of the car. Study 2 involved intensive exploratory workshops with ten drivers comprising Think Aloud, artefact modelling and focus groups, to explore natural-feeling interaction with secondary controls in different ways. The resulting thematic framework comprised 11 characteristics in four categories: familiarity/control, physical connection, low visual/cognitive demand, and humanlike intelligence and communication. Study 3 comprised two ethnographic participant observations. Eight drivers were observed interacting with their controls during long road journeys. Twenty-two drivers were observed interacting verbally with futuristic ‘intelligent’ secondary systems while driving on public roads. Design guidelines relating to physicality, usability, automation, and humanlike communication were formulated. Study 4 converted all the qualitative findings into a questionnaire comprising 46 bipolar five-point scales. Eighty-one drivers used it to rate one control in their cars. Correlation and factor analyses revealed three underlying factors and 14 items suitable for the first industrially applicable measurement scale for driver-car naturalness. These items concern perceived helpfulness, politeness, competence, predictability, control, ease, mental demands, intuitiveness, ‘realness’, instantaneousness, communication, logical location, mapping and 'affordance'. Initial testing found acceptable validity. The conclusion recommends further data collection, expanded validity testing, and potential applications to self-driving cars

Automotive user interfaces for the support of non-driving-related activities

Driving a car has changed a lot since the first car was invented. Today, drivers do not only maneuver the car to their destination but also perform a multitude of additional activities in the car. This includes for instance activities related to assistive functions that are meant to increase driving safety and reduce the driver’s workload. However, since drivers spend a considerable amount of time in the car, they often want to perform non-driving-related activities as well. In particular, these activities are related to entertainment, communication, and productivity. The driver’s need for such activities has vastly increased, particularly due to the success of smart phones and other mobile devices. As long as the driver is in charge of performing the actual driving task, such activities can distract the driver and may result in severe accidents. Due to these special requirements of the driving environment, the driver ideally performs such activities by using appropriately designed in-vehicle systems. The challenge for such systems is to enable flexible and easily usable non-driving-related activities while maintaining and increasing driving safety at the same time. The main contribution of this thesis is a set of guidelines and exemplary concepts for automotive user interfaces that offer safe, diverse, and easy-to-use means to perform non-driving-related activities besides the regular driving tasks. Using empirical methods that are commonly used in human-computer interaction, we investigate various aspects of automotive user interfaces with the goal to support the design and development of future interfaces that facilitate non-driving-related activities. The first aspect is related to using physiological data in order to infer information about the driver’s workload. As a second aspect, we propose a multimodal interaction style to facilitate the interaction with multiple activities in the car. In addition, we introduce two concepts for the support of commonly used and demanded non-driving-related activities: For communication with the outside world, we investigate the driver’s needs with regard to sharing ride details with remote persons in order to increase driving safety. Finally, we present a concept of time-adjusted activities (e.g., entertainment and productivity) which enable the driver to make use of times where only little attention is required. Starting with manual, non-automated driving, we also consider the rise of automated driving modes.When cars were invented, they allowed the driver and potential passengers to get to a distant location. The only activities the driver was able and supposed to perform were related to maneuvering the vehicle, i.e., accelerate, decelerate, and steer the car. Today drivers perform many activities that go beyond these driving tasks. This includes for example activities related to driving assistance, location-based information and navigation, entertainment, communication, and productivity. To perform these activities, drivers use functions that are provided by in-vehicle information systems in the car. Many of these functions are meant to increase driving safety or to make the ride more enjoyable. The latter is important since people spend a considerable amount of time in their cars and want to perform similar activities like those to which they are accustomed to from using mobile devices. However, as long as the driver is responsible for driving, these activities can be distracting and pose driver, passengers, and the environment at risk. One goal for the development of automotive user interfaces is therefore to enable an easy and appropriate operation of in-vehicle systems such that driving tasks and non-driving-related activities can be performed easily and safely. The main contribution of this thesis is a set of guidelines and exemplary concepts for automotive user interfaces that offer safe, diverse, and easy-to-use means to perform also non-driving-related activities while driving. Using empirical methods that are commonly used in human-computer interaction, we approach various aspects of automotive user interfaces in order to support the design and development of future interfaces that also enable non-driving-related activities. Starting with manual, non-automated driving, we also consider the transition towards automated driving modes. As a first part, we look at the prerequisites that enable non-driving-related activities in the car. We propose guidelines for the design and development of automotive user interfaces that also support non-driving-related activities. This includes for instance rules on how to adapt or interrupt activities when the level of automation changes. To enable activities in the car, we propose a novel interaction concept that facilitates multimodal interaction in the car by combining speech interaction and touch gestures. Moreover, we reveal aspects on how to infer information about the driver's state (especially mental workload) by using physiological data. We conducted a real-world driving study to extract a data set with physiological and context data. This can help to better understand the driver state, to adapt interfaces to the driver and driving situations, and to adapt the route selection process. Second, we propose two concepts for supporting non-driving-related activities that are frequently used and demanded in the car. For telecommunication, we propose a concept to increase driving safety when communicating with the outside world. This concept enables the driver to share different types of information with remote parties. Thereby, the driver can choose between different levels of details ranging from abstract information such as ``Alice is driving right now'' up to sharing a video of the driving scene. We investigated the drivers' needs on the go and derived guidelines for the design of communication-related functions in the car through an online survey and in-depth interviews. As a second aspect, we present an approach to offer time-adjusted entertainment and productivity tasks to the driver. The idea is to allow time-adjusted tasks during periods where the demand for the driver's attention is low, for instance at traffic lights or during a highly automated ride. Findings from a web survey and a case study demonstrate the feasibility of this approach. With the findings of this thesis we envision to provide a basis for future research and development in the domain of automotive user interfaces and non-driving-related activities in the transition from manual driving to highly and fully automated driving.Als das Auto erfunden wurde, ermöglichte es den Insassen hauptsächlich, entfernte Orte zu erreichen. Die einzigen Tätigkeiten, die Fahrerinnen und Fahrer während der Fahrt erledigen konnten und sollten, bezogen sich auf die Steuerung des Fahrzeugs. Heute erledigen die Fahrerinnen und Fahrer diverse Tätigkeiten, die über die ursprünglichen Aufgaben hinausgehen und sich nicht unbedingt auf die eigentliche Fahraufgabe beziehen. Dies umfasst unter anderem die Bereiche Fahrerassistenz, standortbezogene Informationen und Navigation, Unterhaltung, Kommunikation und Produktivität. Informationssysteme im Fahrzeug stellen den Fahrerinnen und Fahrern Funktionen bereit, um diese Aufgaben auch während der Fahrt zu erledigen. Viele dieser Funktionen verbessern die Fahrsicherheit oder dienen dazu, die Fahrt angenehm zu gestalten. Letzteres wird immer wichtiger, da man inzwischen eine beträchtliche Zeit im Auto verbringt und dabei nicht mehr auf die Aktivitäten und Funktionen verzichten möchte, die man beispielsweise durch die Benutzung von Smartphone und Tablet gewöhnt ist. Solange der Fahrer selbst fahren muss, können solche Aktivitäten von der Fahrtätigkeit ablenken und eine Gefährdung für die Insassen oder die Umgebung darstellen. Ein Ziel bei der Entwicklung automobiler Benutzungsschnittstellen ist daher eine einfache, adäquate Bedienung solcher Systeme, damit Fahraufgabe und Nebentätigkeiten gut und vor allem sicher durchgeführt werden können. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit umfasst einen Leitfaden und beispielhafte Konzepte für automobile Benutzungsschnittstellen, die eine sichere, abwechslungsreiche und einfache Durchführung von Tätigkeiten jenseits der eigentlichen Fahraufgabe ermöglichen. Basierend auf empirischen Methoden der Mensch-Computer-Interaktion stellen wir verschiedene Lösungen vor, die die Entwicklung und Gestaltung solcher Benutzungsschnittstellen unterstützen. Ausgehend von der heute üblichen nicht automatisierten Fahrt betrachten wir dabei auch Aspekte des automatisierten Fahrens. Zunächst betrachten wir die notwendigen Voraussetzungen, um Tätigkeiten jenseits der Fahraufgabe zu ermöglichen. Wir stellen dazu einen Leitfaden vor, der die Gestaltung und Entwicklung von automobilen Benutzungsschnittstellen unterstützt, die das Durchführen von Nebenaufgaben erlauben. Dies umfasst zum Beispiel Hinweise, wie Aktivitäten angepasst oder unterbrochen werden können, wenn sich der Automatisierungsgrad während der Fahrt ändert. Um Aktivitäten im Auto zu unterstützen, stellen wir ein neuartiges Interaktionskonzept vor, das eine multimodale Interaktion im Fahrzeug mit Sprachbefehlen und Touch-Gesten ermöglicht. Für automatisierte Fahrzeugsysteme und zur Anpassung der Interaktionsmöglichkeiten an die Fahrsituation stellt der Fahrerzustand (insbesondere die mentale Belastung) eine wichtige Information dar. Durch eine Fahrstudie im realen Straßenverkehr haben wir einen Datensatz generiert, der physiologische Daten und Kontextinformationen umfasst und damit Rückschlüsse auf den Fahrerzustand ermöglicht. Mit diesen Informationen über Fahrerinnen und Fahrer wird es möglich, den Fahrerzustand besser zu verstehen, Benutzungsschnittstellen an die aktuelle Fahrsituation anzupassen und die Routenwahl anzupassen. Außerdem stellen wir zwei konkrete Konzepte zur Unterstützung von Nebentätigkeiten vor, die schon heute regelmäßig bei der Fahrt getätigt oder verlangt werden. Im Bereich der Telekommunikation stellen wir dazu ein Konzept vor, das die Fahrsicherheit beim Kommunizieren mit Personen außerhalb des Autos erhöht. Das Konzept erlaubt es dem Fahrer, unterschiedliche Arten von Kontextinformationen mit Kommunikationspartnern zu teilen. Dies reicht von der abstrakten Information, dass man derzeit im Auto unterwegs ist bis hin zum Teilen eines Live-Videos der aktuellen Fahrsituation. Diesbezüglich haben wir über eine Web-Umfrage und detaillierte Interviews die Bedürfnisse der Nutzer(innen) erhoben und ausgewertet. Zudem stellen wir ein prototypisches Konzept sowie Richtlinien vor, wie künftige Kommunikationsaufgaben im Fahrzeug gestaltet werden sollen. Als ein zweites Konzept betrachten wir zeitbeschränkte Aufgaben zur Unterhaltung und Produktivität im Fahrzeug. Die Idee ist hier, zeitlich begrenzte Aufgaben in Zeiten niedriger Belastung zuzulassen, wie zum Beispiel beim Warten an einer Ampel oder während einer hochautomatisierten (Teil-) Fahrt. Ergebnisse aus einer Web-Umfrage und einer Fallstudie zeigen die Machbarkeit dieses Ansatzes auf. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit soll eine Basis für künftige Forschung und Entwicklung gelegt werden, um im Bereich automobiler Benutzungsschnittstellen insbesondere nicht-fahr-bezogene Aufgaben im Übergang zwischen manuellem Fahren und einer hochautomatisierten Autofahrt zu unterstützen