Sensortechnologien: Fünf Trends für das IoT

Wenn es um Sensortechnologien geht, waren bislang vor allem drei Faktoren entscheidend: Preis, Kapazität und Größe. Seit Kurzem gehören jedoch auch weitere Merkmale wie Intelligenz, Energieeffizienz und die Art dieser Sensoren zu den relevanten Kriterien. Da die Sensoren immer kostengünstiger, „intelligenter“ und kleiner werden, sind sie in verschiedenen Anwendungen einsetzbar und erzeugen ein breites Spektrum an Daten.

Laut IoT Analytics werden heute an jedes neu in Betrieb genommene IoT-Gerät im Durchschnitt vier neue Sensoren angeschlossen. Ein Drittel aller im Jahr 2022 auf den Markt gebrachten Sensoren war Teil eines verbundenen IoT-Geräts.

Allein der MEMS-basierte IoT-Sensormarkt machte 2022 5 % des weltweiten Umsatzes in diesem Sektor aus. Schätzungen zufolge liegt dieser bei 10,9 Milliarden US-Dollar – bis 2027 soll der Umsatz zudem mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 16 % wachsen.

Der Markt für Bildsensoren ist besonders für das Internet der Dinge wichtig. Vor allem drei Anwendungsfälle treiben die Einführung dabei voran: maschinelles Sehen, vernetzte Überwachungskameras und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme. Zusätzlich werden Biosensoren in den kommenden Jahren auch neue Möglichkeiten für den Gesundheitssektor eröffnen.

Biosensoren bringen die fünf von IoT Analytics aufgezeigten technologischen Trends zusammen, die die IoT-Sensorlandschaft in den kommenden Jahren verändern werden. Die folgende Liste stellt diese im Detail vor.

1. Sensoren werden intelligenter und können als Edge-Geräte fungieren – Manche halten intelligente Sensoren die Grundlage für das „echte“ Internet der Dinge (IoT). Nach Ansicht von Deloitte unterscheiden sie sich von herkömmlichen Sensoren, da sie gleichzeitig integrierte Plattformen mit Mikroprozessoren, Speicher, Diagnosesoftware und Konnektivitätstools sind. Somit sind intelligente Sensoren in der Lage, die von ihnen erfassten Daten in Erkenntnisse umzuwandeln. Auf diese Weise lassen sich Entscheidungen sofort treffen und sensible Informationen verarbeiten, ohne dass sie an andere Stellen weitergeleitet werden müssen. Schließlich können intelligente Sensoren die Signale direkt verarbeiten (z. B. zur Validierung und Interpretation der Daten, Anzeige der Ergebnisse oder Ausführung spezifischer analytischer Anwendungen), was sie zu virtuellen Edge-Geräten macht.

Einem aktuellen Bericht von Allied Market Research zufolge wird der globale Markt für intelligente Sensoren bis 2027 auf 143,65 Milliarden US-Dollar anwachsen – das entspräche einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 18,6 %.

2. Sensoren werden energieeffizienter – Immer mehr Sensoren nutzen erneuerbare Energiequellen, wie beispielsweise Solar- oder Bewegungsenergie, um sich selbst zu versorgen. Anderweitige Quellen oder Batterien sind somit nicht mehr vonnöten. Diese Innovation verbessert die Zuverlässigkeit sowie Langlebigkeit von IoT-Geräten, insbesondere von solchen, die Anwender an abgelegenen oder unzugänglichen Orten einsetzen.

Weiterhin können einige Sensoren dank fortschrittlicher Siliziumtechnologien jetzt mehr als zehn Jahre lang mit Batterien betrieben werden, was die Kosten und den Aufwand für den Batteriewechsel verringert. Die verbesserte Effizienz scheint jedoch angesichts des erhöhten Energieaufwands für die größere Anzahl der Sensoren relativ. Statt zu sinken, steigt der Gesamtenergieverbrauch der Systeme oft sogar noch – und stellt so weiterhin eine Herausforderung dar.

3. Virtuelle oder Softsensoren ergänzen zunehmend physische Sensoren – In einigen Fällen ist die Installation eines physischen Sensors unpraktisch oder zu teuer. Besonders häufig ist dies in der chemischen und petrochemischen Industrie, im Bergbau sowie in der Stahlindustrie der Fall. Softsensoren erweisen sich hier als die praktikabelste Alternative, um Daten zuverlässig und in Echtzeit zu generieren.

4. Sensorfusion (insbesondere beim autonomen Fahren) – Fast jedes autonome System wird, zum Beispiel für Wahrnehmungs- und Ortungsaufgaben, mehrere Sensoren (und mehrere Sensortypen) benötigen. So kann ein autonomes Auto beispielsweise sowohl Laser als auch Radar zur Entfernungsmessung verwenden, da in manchen Fällen ein Sensor besser funktioniert als der andere. Zu den drei wichtigsten Sensoren für autonomes Fahren gehören dabei LiDAR-Kameras, Radar und 3D-Bildsensoren.

Durch die Nutzung der Messungen mehrerer Sensoren (und möglicherweise verschiedener Sensortypen) lassen sich Unsicherheiten bei Wahrnehmungsaufgaben effektiv verringern. Einzelsensoren haben in der Regel eine begrenzte Reichweite, ein eingeschränktes Sichtfeld oder Leistungseinbußen durch bestimmte Umweltbedingungen. Außerdem können eine Verschlechterung der Messgenauigkeit oder ein Ausfall bei Systemen mit nur einem Sensor katastrophale Folgen haben. Im Gegensatz dazu ist es multisensorischen Systemen möglich, diese Probleme auf zwei Arten zu lösen: zum einen durch die Redundanz einzelner Sensoren (z. B. für mehrere Messungen mit derselben Größe oder für solche mit vollem Sichtfeld), zum anderen durch die Sensordiversität (z. B. die Verwendung von Sensoren mit unterschiedlichen Eigenschaften, um die Einschränkungen anderer auszugleichen).

Die Sensorfusion kann Risiken minimieren, indem sie vollständigere Daten erzeugt. So weist beispielsweise ein Radarsensor in Längsrichtung eine gute Genauigkeit auf, zeigt in Querrichtung jedoch Schwächen. Umgekehrt bietet eine Kamera zwar schlechte Entfernungswerte, kann aber eine gute seitliche Positionseinschätzung liefern. Durch die Zusammenführung dieser beiden Sensormessungen wird die resultierende Einschätzung sowohl in Längs- als auch in Querrichtung exakter.

5. Die Entwicklung von Biosensoren schreitet beständig voran – Die Prognosen von Expert Market Research für den weltweiten Biosensormarkt belaufen sich bis 2026 auf 34,6 Milliarden US-Dollar. Jüngste Fortschritte in der Biosensorforschung deuten darauf hin, dass diese Technologie abseits des Gesundheitsweses so gut wie einsatzbereit ist. Aktuell werden diese Sensoren bereits nicht nur zur Erkennung von Krankheiten, sondern auch bei industriellen Prozessen angewendet.

Je nach Einsatzbereich sind Biosensoren auch als Resonanzspiegel, „chemische Kanarienvögel“, Biochips, Glucometer oder Biocomputer bekannt. Integrierte Ansätze haben eine bessere Perspektive für die Entwicklung spezifischer und sensitiver Biosensoren mit hohem Regenerationspotenzial eröffnet. Jüngste Fortschritte bei biologischen Techniken und Instrumenten, die beispielsweise Fluoreszenzmarkierungen für Nanomaterialien beinhalten, haben die Empfindlichkeitsschwelle von Biosensoren erhöht.

Heute sind Biosensoren außerdem wichtig, um verschiedene Moleküle im Zusammenhang mit Umweltanwendungen aufzuspüren, die auf eine Verschmutzung aus unterschiedlichen Quellen hinweisen.