From wearable towards epidermal computing : soft wearable devices for rich interaction on the skin

Human skin provides a large, always available, and easy to access real-estate for interaction. Recent advances in new materials, electronics, and human-computer interaction have led to the emergence of electronic devices that reside directly on the user's skin. These conformal devices, referred to as Epidermal Devices, have mechanical properties compatible with human skin: they are very thin, often thinner than human hair; they elastically deform when the body is moving, and stretch with the user's skin. Firstly, this thesis provides a conceptual understanding of Epidermal Devices in the HCI literature. We compare and contrast them with other technical approaches that enable novel on-skin interactions. Then, through a multi-disciplinary analysis of Epidermal Devices, we identify the design goals and challenges that need to be addressed for advancing this emerging research area in HCI. Following this, our fundamental empirical research investigated how epidermal devices of different rigidity levels affect passive and active tactile perception. Generally, a correlation was found between the device rigidity and tactile sensitivity thresholds as well as roughness discrimination ability. Based on these findings, we derive design recommendations for realizing epidermal devices. Secondly, this thesis contributes novel Epidermal Devices that enable rich on-body interaction. SkinMarks contributes to the fabrication and design of novel Epidermal Devices that are highly skin-conformal and enable touch, squeeze, and bend sensing with co-located visual output. These devices can be deployed on highly challenging body locations, enabling novel interaction techniques and expanding the design space of on-body interaction. Multi-Touch Skin enables high-resolution multi-touch input on the body. We present the first non-rectangular and high-resolution multi-touch sensor overlays for use on skin and introduce a design tool that generates such sensors in custom shapes and sizes. Empirical results from two technical evaluations confirm that the sensor achieves a high signal-to-noise ratio on the body under various grounding conditions and has a high spatial accuracy even when subjected to strong deformations. Thirdly, Epidermal Devices are in contact with the skin, they offer opportunities for sensing rich physiological signals from the body. To leverage this unique property, this thesis presents rapid fabrication and computational design techniques for realizing Multi-Modal Epidermal Devices that can measure multiple physiological signals from the human body. Devices fabricated through these techniques can measure ECG (Electrocardiogram), EMG (Electromyogram), and EDA (Electro-Dermal Activity). We also contribute a computational design and optimization method based on underlying human anatomical models to create optimized device designs that provide an optimal trade-off between physiological signal acquisition capability and device size. The graphical tool allows for easily specifying design preferences and to visually analyze the generated designs in real-time, enabling designer-in-the-loop optimization. Experimental results show high quantitative agreement between the prediction of the optimizer and experimentally collected physiological data. Finally, taking a multi-disciplinary perspective, we outline the roadmap for future research in this area by highlighting the next important steps, opportunities, and challenges. Taken together, this thesis contributes towards a holistic understanding of Epidermal Devices}: it provides an empirical and conceptual understanding as well as technical insights through contributions in DIY (Do-It-Yourself), rapid fabrication, and computational design techniques.Die menschliche Haut bietet eine große, stets verfügbare und leicht zugängliche Fläche für Interaktion. Jüngste Fortschritte in den Bereichen Materialwissenschaft, Elektronik und Mensch-Computer-Interaktion (Human-Computer-Interaction, HCI) [so that you can later use the Englisch abbreviation] haben zur Entwicklung elektronischer Geräte geführt, die sich direkt auf der Haut des Benutzers befinden. Diese sogenannten Epidermisgeräte haben mechanische Eigenschaften, die mit der menschlichen Haut kompatibel sind: Sie sind sehr dünn, oft dünner als ein menschliches Haar; sie verformen sich elastisch, wenn sich der Körper bewegt, und dehnen sich mit der Haut des Benutzers. Diese Thesis bietet, erstens, ein konzeptionelles Verständnis von Epidermisgeräten in der HCI-Literatur. Wir vergleichen sie mit anderen technischen Ansätzen, die neuartige Interaktionen auf der Haut ermöglichen. Dann identifizieren wir durch eine multidisziplinäre Analyse von Epidermisgeräten die Designziele und Herausforderungen, die angegangen werden müssen, um diesen aufstrebenden Forschungsbereich voranzubringen. Im Anschluss daran untersuchten wir in unserer empirischen Grundlagenforschung, wie epidermale Geräte unterschiedlicher Steifigkeit die passive und aktive taktile Wahrnehmung beeinflussen. Im Allgemeinen wurde eine Korrelation zwischen der Steifigkeit des Geräts und den taktilen Empfindlichkeitsschwellen sowie der Fähigkeit zur Rauheitsunterscheidung festgestellt. Basierend auf diesen Ergebnissen leiten wir Designempfehlungen für die Realisierung epidermaler Geräte ab. Zweitens trägt diese Thesis zu neuartigen Epidermisgeräten bei, die eine reichhaltige Interaktion am Körper ermöglichen. SkinMarks trägt zur Herstellung und zum Design neuartiger Epidermisgeräte bei, die hochgradig an die Haut angepasst sind und Berührungs-, Quetsch- und Biegesensoren mit gleichzeitiger visueller Ausgabe ermöglichen. Diese Geräte können an sehr schwierigen Körperstellen eingesetzt werden, ermöglichen neuartige Interaktionstechniken und erweitern den Designraum für die Interaktion am Körper. Multi-Touch Skin ermöglicht hochauflösende Multi-Touch-Eingaben am Körper. Wir präsentieren die ersten nicht-rechteckigen und hochauflösenden Multi-Touch-Sensor-Overlays zur Verwendung auf der Haut und stellen ein Design-Tool vor, das solche Sensoren in benutzerdefinierten Formen und Größen erzeugt. Empirische Ergebnisse aus zwei technischen Evaluierungen bestätigen, dass der Sensor auf dem Körper unter verschiedenen Bedingungen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht und eine hohe räumliche Auflösung aufweist, selbst wenn er starken Verformungen ausgesetzt ist. Drittens, da Epidermisgeräte in Kontakt mit der Haut stehen, bieten sie die Möglichkeit, reichhaltige physiologische Signale des Körpers zu erfassen. Um diese einzigartige Eigenschaft zu nutzen, werden in dieser Arbeit Techniken zur schnellen Herstellung und zum computergestützten Design von multimodalen Epidermisgeräten vorgestellt, die mehrere physiologische Signale des menschlichen Körpers messen können. Die mit diesen Techniken hergestellten Geräte können EKG (Elektrokardiogramm), EMG (Elektromyogramm) und EDA (elektrodermale Aktivität) messen. Darüber hinaus stellen wir eine computergestützte Design- und Optimierungsmethode vor, die auf den zugrunde liegenden anatomischen Modellen des Menschen basiert, um optimierte Gerätedesigns zu erstellen. Diese Designs bieten einen optimalen Kompromiss zwischen der Fähigkeit zur Erfassung physiologischer Signale und der Größe des Geräts. Das grafische Tool ermöglicht die einfache Festlegung von Designpräferenzen und die visuelle Analyse der generierten Designs in Echtzeit, was eine Optimierung durch den Designer im laufenden Betrieb ermöglicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen eine hohe quantitative Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen des Optimierers und den experimentell erfassten physiologischen Daten. Schließlich skizzieren wir aus einer multidisziplinären Perspektive einen Fahrplan für zukünftige Forschung in diesem Bereich, indem wir die nächsten wichtigen Schritte, Möglichkeiten und Herausforderungen hervorheben. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem ganzheitlichen Verständnis von Epidermisgeräten bei: Sie liefert ein empirisches und konzeptionelles Verständnis sowie technische Einblicke durch Beiträge zu DIY (Do-It-Yourself), schneller Fertigung und computergestützten Entwurfstechniken

Highly Sensitive Soft Foam Sensors for Wearable Applications

Due to people’s increasing desire for body health monitoring, the needs of knowing humans’ body parameters and transferring them to analyzable and understandable signals become increasingly attractive and significant. The present body-sign measurement devices are still bulky medical devices used in settings such as clinics or hospitals, which are accurate, but expensive and cannot achieve the personalization of usage targets and the monitoring of real-time body parameters. Many commercial wearable devices can provide some of the body indexes, such as the smartwatch providing the pulse/heartbeat information, but cannot give accurate and reliable data, and the data could be influenced by the user’s movement and the loose wearing habit, either. In this way, developing next-generation wearable devices combining good wearable experience and accuracy is gathering increasing attention. The aim of this study is to develop a high-performance pressure/strain sensor with the requirements of comfortable to wear, and having great electromechanical behaviour to convert the physiological signal to an analyzable signal

Layer by layer printing of nanomaterials for large-area, flexible electronics

Large-area electronics, including printable and flexible electronics, is an emerging concept which aims to develop electronic components in a cheaper and faster manner, especially on those non-conventional substrates. Being flexible and deformable, this new form of electronics is regarded to hold great promises for various futuristic applications including the internet of things, virtual reality, healthcare monitoring, prosthetics and robotics. However, at present, large-area electronics is still nowhere near the commercialisation stage, which is due to several problems associated with performance, uniformity and reliability, etc. Moreover, although the device’s density is not the major concern in printed electronics, there is still a merit in further increasing the total number of devices in a limited area, in order to achieve more electronic blocks, higher performance and multiple functionalities. In this context, this Ph.D. thesis focuses on the printing of various nanomaterials for the realisation of high-performance, flexible and large-area electronics. Several aspects have been covered in this thesis, including the printing dynamics of quasi-1D NWs, the contact problem in device realisation and the strategy to achieve sequential integration (3D integration) of the as-printed devices, both on rigid and flexible substrates. Promisingly, some of the devices based on the printed nanomaterial show a comparable performance to the state-of-the-art technology. With the demonstrated 3D integration strategy, a highly dense array of electronic devices can be potentially achieved by printing method. This thesis also touches on the problem associated with the circuit and system realisation. Specifically, graphene-based logic gates and NW based UV sensing circuit has been discussed, which shows the promising applications of nanomaterial-based electronics. Future work will be focusing on extending the UV sensing circuit to an active matrix sensor array