Amerikanische Ingenieure der Northwestern University haben einen Prototyp der intelligenten Brille GlassTENG vorgestellt, der völlig ohne Akku auskommt. Die Grundidee basiert auf einer einfachen Beobachtung: Ein Mensch blinzelt 14- bis 20-mal pro Minute, und die gesamte für diese Aktion aufgewendete Energie wird unter normalen Bedingungen verschwendet. Die Forscher beschlossen, sie zur Stromversorgung eines Wearables zu nutzen, das Gesundheitsdaten direkt im Gesicht des Benutzers erfasst, ohne dass ein Aufladen erforderlich ist oder die Gewohnheiten des Menschen geändert werden müssen.

Warum ausgerechnet eine Brille

"Das menschliche Gesicht ist eine wahre Fundgrube für Gesundheitsinformationen, was eine gewöhnliche Brille zum idealen Wearable macht", erklärt Projektleiterin Nivedita Arora. Ihrer Ansicht nach überwachen bestehende Wearable-Tracker die Herzfrequenz in der Regel über das Handgelenk, aber man vergisst oft, sie zum Aufladen an- und auszuziehen. Das Konzept basiert auf der Tatsache, dass etwa die Hälfte der Menschen bereits eine Brille trägt: Sie lässt sich in ein tragbares Gadget verwandeln, ohne den Lebensstil zu verändern.

Wie die Brille Energie gewinnt

Energiequelle sind nicht nur das Blinzeln, sondern auch mimische Bewegungen wie Lächeln, Kieferzusammenbeißen und Augenbrauenheben. Für die Energiegewinnung sorgen triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) — winzige Geräte, die statische Elektrizität sammeln. Wenn der flexible Sensor die Gesichtshaut berührt und sich wieder von ihr löst, findet ein Elektronenaustausch statt, der eine kurzzeitige elektrische Ladung erzeugt. GlassTENG-Sensoren bestehen aus Schichten, die sich bei Gesichtsbewegungen komprimieren und dekomprimieren und so die für den Betrieb erforderliche mechanische Energie liefern.

Drei Sensoren und ihre Aufgaben

Am Gestell sind drei Sensoren angebracht. Der erste befindet sich auf dem Nasenrücken in der Nähe der Arteria angularis und überwacht Puls, Blinzeln und Augenbrauenbewegungen; der zweite sitzt an der Schläfe über der Arteria temporalis superficialis und erfasst Puls und Kieferaktivität; der dritte befindet sich näher am Ohr und registriert Kau- und Zahnzusammenbeißbewegungen. Jede Aktion hat ihren eigenen "elektrischen Fingerabdruck": Der Puls erzeugt die schwächste Spannung von 50 bis 100 mV, Blinzeln und Augenbrauenheben von 200 bis 500 mV, während intensive Kieferbewegungen bis zu 1,5 V erreichen.

Genauigkeit und Systemgrenzen

Zur Überprüfung nutzte man einen Algorithmus für maschinelles Lernen, der Signale von 20 Freiwilligen analysierte. Die Erkennungsgenauigkeit für Aktionen lag bei 93,8 %: Zähneknirschen wurde in 99 % der Fälle erkannt, das Zusammenbeißen des Kiefers in 96 %. Der Puls wurde bei 10 Teilnehmern in Ruhe separat überprüft, und im Vergleich zu einem Brustgurtmonitor betrug der durchschnittliche Fehler des Brillensensors 1,82 Schläge pro Minute. Das System ist unvollkommen: Es kann Sprechen mit Essen verwechseln, da in beiden Fällen Kiefer und Schläfenmuskel beansprucht werden. Sprache wurde nur in 55 % der Fälle richtig erkannt, während sie in 37 % der Fälle als Mahlzeit interpretiert wurde.

Perspektiven

Die gesammelten Daten überträgt die GlassTENG-Brille per Bluetooth an ein Smartphone oder Tablet. Die Projektverantwortlichen beabsichtigen, das System vollständig autonom zu machen, sodass das Gadget ohne externe Stromquellen und ohne die für die meisten Wearables typischen regelmäßigen Ladezyklen arbeiten kann.