Asynchronous Collaboration in Physical Engineering Environments using Immersive Technologies

Kollaborative Aufgaben im Ingenieurwesen sind nicht nur kognitiv anspruchsvoll, sondern häufig physisch, räumlich und technisch komplex. Während konventionelle Technologien der Computerunterstützten Kooperativen Arbeit (CSCW) eine effektive synchrone Zusammenarbeit ermöglichen, bleibt asynchrone Kollaboration – insbesondere bei räumlich-prozeduralen Tätigkeiten – weitgehend unberücksichtigt. Diese Lücke zeigt sich besonders in industriellen Anwendungsfeldern, in denen Aufgabenkontinuität, verkörperte Interaktion und räumlicher Kontext entscheidend sind.
In dieser Arbeit wurde die Design-Science-Research-Methodik angewendet, um ein Rahmenwerk für asynchrone Zusammenarbeit in Extended Reality (XR) zu entwickeln und zu evaluieren. ... mehrXR-Technologien ermöglichen die nahtlose räumliche Integration digitaler Inhalte in physische Umgebungen, unterstützen verkörperte Interaktion mit aufgabenrelevanten Daten und sichern die zeitliche Persistenz prozeduraler Kontexte.
Auf Basis theoretischer Grundlagen und verwandter Arbeiten wurde ein konzeptuelles Modell formuliert, das asynchrone Kommunikation, Koordination und Kooperation (3C) im XR-Kontext präzisiert und operationalisiert. Die Komponenten wurden im Design-Zyklus als modulare Prototypen implementiert und jeweils einzeln evaluiert. Im Rigor-Zyklus wurden die Module zu einem ganzheitlichen XR-System zusammengeführt und in einem robotergestützten Fertigungsszenario in der Karlsruher Forschungsfabrik angewendet. Die integrierte
Lösung wurde in einer vergleichenden Nutzerstudie gegenüber einem konventionellen videobasierten Arbeitsablauf evaluiert. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen in räumlichem Verständnis, prozeduraler Klarheit, Co-Präsenz und Nutzerengagement mit dem XR-Prototyp, bei gleichzeitigen Einschränkungen in Arbeitseffizienz, Technologievertrautheit sowie hardwarebedingten Limitierungen (z. B. Bildauflösung).
Der Beitrag der Arbeit liegt in: (i) einer konzeptionellen Fundierung asynchroner XR- Zusammenarbeit entlang der 3C einschließlich Begriffspräzisierung und Gestaltungsprinzipien, (ii) dem ACIE-Rahmenwerk mit Referenzarchitektur für räumlich-prozedurale Asynchronität sowie (iii) der empirischen Prüfung durch modulare und integrierte Evaluation in einem realitätsnahen Industrieszenario. Damit wird eine zentrale Lücke in der aktuellen CSCW-Forschung und in bestehenden Ingenieurwerkzeugen adressiert und die Grundlage für flexiblere Formen kollaborativer Arbeit gestärkt – als Basis für die umfassende Unterstützung und sukzessive Integration aller Kooperationsformen: co-lokal und remote, synchron und asynchron.

Collaborative engineering tasks are not only cognitively demanding, but often involve physical, spatial, and technical complexity. While established computer supported cooperative work (CSCW) technologies provide effective support for synchronous collaboration, asynchronous collaboration – especially on spatially procedural tasks – remains unaddressed; this gap is particularly evident in industrial domains where task continuity, embodied interaction, and spatial context are critical.
To address this gap, this work applies the Design Science Research (DSR) methodology to develop and evaluate a framework for asynchronous collaboration in Extended Reality (XR). ... mehrXR technologies enable the spatial integration of digital content with the physical environment, allowing users to interact immersively with task-relevant data and retain procedural context over time.
Grounded in theoretical foundations and related work, a conceptual model is proposed to address the three dimensions – communication, coordination, and cooperation – to support asynchronous collaboration. These components were implemented and evaluated individually in the design cycle. In the rigor cycle, the modular components were consolidated into a holistic XR system and applied in a robotic manufacturing scenario at the Karlsruhe Research Factory. The integrated solution was evaluated through a comparative user study against a conventional video-based workflow. Results show improvements in spatial understanding, procedural clarity, co-presence and user engagement under the XR condition, although limitations remain in task efficiency, familiarity with XR, and hardware constraints such as image resolution.
This research contributes (i) a theory-informed conceptual model that operationalizes communication, coordination, and cooperation for asynchronous XR, along with design considerations for spatio-temporal work; (ii) a modular system architecture and a replicable evaluation protocol; and (iii) empirical evidence from a comparative study in an industrial setting. Together, these contributions address a critical gap in CSCW tools for engineering and provide practical guidance for integrating asynchronous spatial collaboration across co-located and remote settings.