Mensch-Maschine-Interaktion 1975: Das vergessene Touchscreen-Patent, das alles veränderte

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Anlässlich des 60-jährigen Jubiläums der ELEKTRONIKPRAXIS werfen die Redakteure im Kaleidoskop einen Blick auf ihr eigenes Geburtsjahr und die damaligen Technik-Meilensteine. Hendrik Härter erinnert sich an das Jahr 1975, in dem der Touchscreen erfunden wurde und die Interaktion mit Maschinen revolutionierte.

Am 7. Oktober 1975 erteilte das US-Patentamt die Urkunde Nr. 3.911.215 an einen Physiker aus Kentucky, den kaum jemand kannte. George Samuel Hurst hatte etwas patentiert, das die Welt der Mensch-Maschine-Interaktion für immer verändern würde. Das wusste damals allerdings noch niemand. George Samuel Hurst war kein klassischer Displayentwickler. Der 1927 in einem ländlichen Ort in Kentucky geborene Wissenschaftler hatte seine Karriere am Oak Ridge National Laboratory begonnen, wo er sich mit Strahlungsdetektoren und Neutronendosimetrie befasste. Touchscreens lagen eigentlich weit außerhalb seines Fachgebiets. Rückblickend machte ihn das zu einem typischen Vertreter jener Erfindergattung, die eine Technologie aus einem völlig anderen Blickwinkel betrachtet und dabei den entscheidenden Schritt tut.

Mitte der 1960er-Jahre entwickelte Hurst eine berührungsempfindliche Fläche, die nicht auf optischen Prinzipien beruhte, sondern auf dem einfachsten aller physikalischen Phänomene: dem elektrischen Widerstand. Das Ergebnis war zunächst eine opake, also nicht transparente, Eingabefläche. Sie war technisch simpel, aber konzeptionell revolutionär. 1971 gründete er Elographics, um seine Ideen zu kommerzialisieren. Vier Jahre später, im Oktober 1975, war das Patent da.

Das Prinzip von Druck, Widerstand und Position

Der resistive Touchscreen beruht auf einem mechanisch-elektrischen Messprinzip, dessen Funktionsweise sich in wenigen Sätzen erklären lässt. Er besteht aus zwei flexiblen, elektrisch leitfähigen Schichten, die durch einen Luftspalt oder mikroskopisch kleine Abstandshalter (Microdots) voneinander getrennt sind. Beide Schichten sind mit einem transparenten, resistiven Material beschichtet.

In modernen Implementierungen ist das typischerweise Indiumzinnoxid (ITO), das sowohl elektrisch leitfähig als auch für sichtbares Licht transparent ist. Im Ruhezustand berühren sich die beiden Schichten nicht. Sobald ein Finger, ein Stift oder ein anderes Objekt Druck auf die Oberfläche ausübt, biegt sich die obere Schicht durch und stellt an der Berührungsstelle elektrischen Kontakt mit der unteren Schicht her. Die Positionsbestimmung erfolgt über ein sequenzielles Spannungsmessprinzip.

• X-Koordinate: Eine gleichmäßige Spannungsrampe wird entlang der ersten Schicht angelegt (horizontal). Die zweite Schicht misst die anliegende Spannung am Kontaktpunkt. Dieser Wert entspricht der X-Position.

• Y-Koordinate: Anschließend wird die Spannungsrampe auf die zweite Schicht umgeschaltet (vertikal), die erste Schicht übernimmt die Messung. Der resultierende Wert ergibt die Y-Position.

Dieser Wechsel geschieht innerhalb weniger Millisekunden und ist für den Nutzer nicht wahrnehmbar. Das Ergebnis: eine präzise zweidimensionale Koordinate des Berührungspunkts.

4-Draht und 5-Draht: Die zwei Grundvarianten

In der Praxis hat sich der resistive Touchscreen in zwei wesentliche Architekturen aufgeteilt, die sich in Aufbau und Langzeitstabilität unterscheiden. Bei dem 4-Draht-Touchscreen werden an beiden Schichten je zwei Elektroden angebracht. An den gegenüberliegenden Rändern der oberen Schicht für die X-Achse, an den gegenüberliegenden Rändern der unteren Schicht für die Y-Achse. Vier Leitungen genügen für den Betrieb. Der Nachteil: Mit zunehmender Nutzung kann die Gleichmäßigkeit des Spannungsfelds in der oberen (flexiblen) Schicht nachlassen, was Kalibrierungsprobleme verursacht.

Im Vergleich dazu befinden sich bei einem 5-Draht-Touchscreen alle vier Elektroden an den Ecken der unteren, festen Schicht. Die obere Schicht dient ausschließlich als Messpunkt, nicht als Spannungsträger. Dadurch ist sie robuster gegen mechanischen Verschleiß, was ein entscheidender Vorteil in industriellen Umgebungen ist, wo Touchscreens über Jahre hinweg mit Handschuhen, Stiften oder rauen Oberflächen bedient werden. 5-Draht-Systeme gelten bis heute als die langlebigere Wahl für raue Einsatzbedingungen.

Der lange Weg zur Transparenz

Hursts ursprüngliches Patent von 1975 beschrieb eine opake Eingabefläche. Sie war nutzbar, aber nicht als Display-Overlay einsetzbar. Der entscheidende nächste Schritt war die Entwicklung einer transparenten Variante, die direkt vor einem Bildschirm montiert werden konnte. Elographics begann diese Entwicklung in Partnerschaft mit dem Elektronikkonzern Siemens. Die Zusammenarbeit führte zu einem System, das 1977 erste konkrete Formen annahm. Öffentlich präsentiert wurde der transparente resistive Touchscreen dann erst 1982, und zwar auf der Worlds Fair in Knoxville in Tennessee. Ein Jahr später erschien mit dem HP-150 der erste kommerzielle Rechner mit integriertem Touchscreen, der auf einem 9-Zoll-Sony-CRT basierte, allerdings noch mit Infrarot-Technologie arbeitete.

Die Verbreitung resistiver Touchscreens als Standardtechnologie erfolgte schrittweise durch die 1980er- und 1990er-Jahre, beispielsweise in Kiosksystemen, Geldautomaten, medizinischen Geräten sowie industriellen Terminals. Sie alle profitierten von den Kerneigenschaften des resistiven Prinzips: niedrige Herstellungskosten, Bedienbarkeit mit Handschuhen oder beliebigen Stiften, hohe Auflösung mit bis zu 4.096 x 4.096 Messpunkten und Robust gegenüber Verschmutzung.

Stärken und Grenzen des resistiven Touch im technischen Alltag

Der resistive Touchscreen war jahrzehntelang die dominierende Technologie und ist es in bestimmten Segmenten bis heute. Seine Stärken liegen klar definiert:

• Materialneutral: Finger, Stift, Schraubenzieher oder Handschuh, bei dem jeder Druck ein Signal erzeugt.

• Kostengünstig in Herstellung und Integration.

• Hohe Präzision bei Stifteingabe, relevant für Signaturterminals und CAD-Anwendungen.

• Unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Feldern und somit ein Vorteil in Industrieumgebungen.

Die Schwachpunkte sind ebenso klar: Die obere Folie ist mechanisch anfällig, Kratzer und Druckstellen entstehen mit der Zeit. Die Lichtdurchlässigkeit ist geringer als bei kapazitiven Displays. Das sind typischerweise 75 bis 85 Prozent Transmission gegenüber 90 Prozent oder mehr bei modernen kapazitiven Displays. Und Multitouch ist bei klassischen resistiven Systemen nicht möglich. Dieses Defizit ist im Zeitalter der Smartphone-Gesten ein entscheidender Nachteil. Ab 2010 überholte die projiziert-kapazitive Technologie (PCAP) die resistiven Systeme in Stückzahlen und Umsatz. Der kapazitive Touchscreen, der keine mechanische Verformung benötigt und Multitouch nativ unterstützt, war für die Anwender des Consumer-Markts die überlegene Wahl.

Resistiver Touch ist eine Nische in Industrie und Medizintechnik

Wer den resistiven Touchscreen für eine überwundene Technologie hält, irrt. Er ist in der Industrie, der Medizintechnik und der Automobilbranche bei schwierigen Bedingungen unverzichtbar. Supermarkt-Kassensysteme, CNC-Maschinensteuerungen oder Patientenmonitore basieren auf dem Prinzip. George Samuel Hurst hat vor 50 Jahren patentieren ließ. Der Physiker, der eigentlich Neutronen zählte, hat damit eine der prägendsten Schnittstellen der Computertechnik begründet. Das Patent Nr. 3.911.215 war nicht das Ende einer Suche, sondern der Beginn einer Technologiefamilie, die noch heute Millionen von Geräten weltweit zum Leben erweckt. (heh)

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