È sufficiente sbattere le palpebre per generare un piccolo impulso elettrico. Anche inarcare le sopracciglia, masticare o serrare la mandibola produce segnali simili, ognuno con caratteristiche proprie. Un team di scienziati statunitensi ha ideato un metodo per catturare questi impulsi grazie a tre minuscoli sensori integrati nella montatura di un paio di occhiali, utilizzandoli per tenere sotto controllo diversi parametri fisiologici, senza bisogno di elettrodi o dispositivi aggiuntivi applicati al viso.
Il dispositivo si chiama GlassTENG, nato dalla ricerca della Northwestern University, e ha già mostrato risultati notevoli: nei test condotti su 20 partecipanti, il sistema ha distinto sei diverse espressioni facciali con un’accuratezza media del 93,8%. È stato inoltre capace di rilevare la frequenza cardiaca attraverso le microscopiche pulsazioni delle arterie facciali.
L’intuizione alla base del progetto è piuttosto intuitiva. Il nostro volto è in costante movimento, anche quando crediamo di essere fermi. E dato che milioni di persone indossano occhiali per gran parte della giornata, perché non sfruttare proprio quella montatura come strumento di monitoraggio della salute?
Come nasce elettricità da un battito di ciglia
Il meccanismo di GlassTENG si basa sull’effetto triboelettrico, un fenomeno che tutti conosciamo nella pratica, anche senza saperne il nome scientifico. È lo stesso principio dell’elettricità statica che fa aderire un palloncino ai capelli dopo averlo strofinato, o che produce una lieve scossa toccando un oggetto metallico.
Quando due materiali diversi entrano a contatto e poi si allontanano, può generarsi una differenza di carica elettrica. Gli studiosi hanno sfruttato questo principio realizzando tre sensori flessibili e sottilissimi, composti da strati che si comprimono e si separano seguendo i movimenti del volto. Ogni sbattere di ciglia esercita una pressione sul sensore, creando un segnale elettrico. Lo stesso accade quando si muovono le sopracciglia, si mastica o si stringe la mandibola.
Le differenze emergono chiaramente anche a livello numerico. Secondo lo studio scientifico su GlassTENG, i movimenti di palpebre e sopracciglia producono segnali tra 200 e 500 millivolt, mentre quelli più intensi legati alla mascella possono toccare 1,5 volt. Perfino le pulsazioni arteriose generano un segnale misurabile, compreso tra 50 e 100 millivolt.
Per captare queste attività, i ricercatori hanno collocato i sensori in tre punti precisi della montatura: sul ponte nasale, vicino alla tempia e nella zona sopra l’orecchio. Da queste posizioni riescono a percepire sia i movimenti muscolari sia le pulsazioni delle arterie sottostanti. Il risultato è una montatura in grado, in un certo senso, di avvertire ciò che accade sul nostro volto.
Gli occhiali rilevano quando serriamo i denti
Una delle applicazioni più promettenti riguarda il bruxismo, il disturbo che porta a serrare o digrignare involontariamente i denti, spesso anche durante il sonno. Nel corso degli esperimenti, 20 volontari hanno indossato GlassTENG svolgendo sei azioni: sbattere le palpebre, sollevare le sopracciglia, serrare la mascella, far battere i denti, mangiare e parlare.
Un algoritmo di intelligenza artificiale ha analizzato i segnali elettrici raccolti dai sensori, imparando ad associare ogni combinazione di impulsi a uno specifico movimento. I risultati migliori sono emersi per le attività legate alla mascella: il sistema ha identificato il battito dei denti nel 99% dei casi e il serramento nel 96%.
L’obiettivo futuro è trasformare un semplice paio di occhiali in uno strumento in grado di accorgersi quando serriamo inconsapevolmente i denti, avvisandoci magari con una notifica discreta. Per chi passa molte ore davanti al computer con la mandibola contratta, potrebbe rivelarsi un promemoria davvero utile.
Restano però alcuni movimenti difficili da discriminare. Il parlato, ad esempio, è stato riconosciuto correttamente solo nel 55% dei casi, poiché alcuni movimenti della mandibola risultano simili a quelli della masticazione. Una sfida che i ricercatori dovranno affrontare nei prossimi sviluppi del progetto.
La capacità di rilevare il battito cardiaco
Gli stessi sensori riescono a cogliere qualcosa di molto più sottile rispetto al movimento della mandibola: la pulsazione delle arterie che attraversano il volto. In particolare, il sensore posizionato sul ponte nasale si trova in prossimità dell’arteria angolare, mentre quello sulla tempia intercetta le pulsazioni dell’arteria temporale superficiale.
Ogni battito cardiaco genera una minima variazione di pressione, che il sensore converte in segnale elettrico da cui è possibile ricavare la frequenza cardiaca. Per testarne l’affidabilità, i ricercatori hanno confrontato i dati raccolti da GlassTENG con quelli di una fascia toracica Polar H10, utilizzata come termine di paragone.
Negli esperimenti condotti a riposo su dieci partecipanti, l’errore medio assoluto è risultato di appena 1,82 battiti al minuto, calcolato su intervalli di 30 secondi. Un dato incoraggiante per una tecnologia che impiega sensori così piccoli, integrati in un oggetto che moltissime persone indossano quotidianamente.
Un consumo energetico minimo
Un altro elemento degno di nota riguarda l’efficienza energetica di GlassTENG. I tre sensori sono autoalimentati nella produzione del segnale, poiché sfruttano direttamente l’energia meccanica generata dai movimenti rilevati. Il circuito elettronico necessario per leggerli consuma complessivamente soltanto 4,1 microwatt, una cifra estremamente contenuta rispetto a quella richiesta da molte tecnologie di monitoraggio tradizionali.
Il prototipo si avvale ancora di componenti elettronici alimentati separatamente per elaborare e trasmettere i dati, ma il team di ricerca sta lavorando per ridurre ulteriormente i consumi e integrare l’elaborazione direttamente nella montatura. L’obiettivo finale è realizzare occhiali capaci di monitorare costantemente alcuni parametri fisiologici, fornendo informazioni utili senza necessità di ricariche frequenti.
Come ha spiegato Nivedita Arora, docente della Northwestern University e coordinatrice dello studio, il volto umano racchiude un’enorme quantità di dati sulla nostra salute. E gli occhiali rappresentano un supporto particolarmente adatto a raccoglierli, considerato quante persone li indossano già ogni giorno.
GlassTENG resta per ora un prototipo sperimentale, e saranno necessari ulteriori test per verificarne il funzionamento durante le attività quotidiane reali. Le possibili applicazioni, tuttavia, vanno ben oltre il bruxismo: i ricercatori immaginano sistemi capaci di monitorare la frequenza cardiaca, alcuni comportamenti alimentari e perfino i segnali legati alla stanchezza.
Per il momento sono bastati tre piccoli sensori, una montatura e un gruppo di volontari disponibili. Il resto lo hanno fatto palpebre, sopracciglia e mascella, con tutti quei movimenti involontari che ripetiamo ogni giorno senza nemmeno rendercene conto.