Человеческое лицо — это маленькая электростанция, которая всю жизнь работает вхолостую. Каждое моргание и сжатие челюсти высвобождает крошечный импульс механической энергии, который обычно просто рассеивается. Команда из Северо-Западного университета (Northwestern University) нашла способ улавливать эту энергию с помощью статического электричества — того самого, из-за которого воздушный шарик прилипает к волосам. Прототип очков под названием GlassTENG использует полученный заряд, чтобы питать датчики, отслеживающие пульс, моргания и сжатие зубов.
У умных очков репутация едва ли не самого спорного гаджета современности: Ray-Ban Meta* снимают посторонних людей прямо в кафе, а аккумулятор, которому уже через несколько часов требуется зарядный чехол, остаётся единственным реальным ограничением. Три датчика GlassTENG, созданные в лаборатории VAK Embodied Systems Lab под руководством Ниведиты Ароры, потребляют в сумме всего 4,1 микроватта, и разработчики намерены в следующей версии полностью отказаться от батареи. Это убрало бы последнее препятствие на пути к постоянно работающим «лицевым компьютерам». При этом данные о пульсе и мышечной активности челюсти крайне личные, а подобные очки способны фиксировать их круглосуточно.
Над проектом работали Ниведита Арора, Радж Дейв, Йованис Проданич и Юнг-чинг Лай из Северо-Западного университета.
Силиконовый «сэндвич», превращающий моргание в напряжение
Датчик представляет собой двухслойный «сэндвич» из PDMS — мягкого силикона — и FEP, скользкого фторполимера из семейства тефлона. Когда слои прижимаются друг к другу и снова расходятся, один из них «перетягивает» электроны у другого — тот самый трюк с шариком и волосами, только в лабораторном исполнении. Серебряные электроды толщиной по 150 нанометров собирают возникающее напряжение. Пульс даёт самый слабый сигнал — около 50–100 милливольт, моргания и поднятие бровей дают 200–500 милливольт, а сильное сжатие челюсти поднимает напряжение примерно до 1,5 вольта. Такого диапазона достаточно, чтобы один тонкий слой отличал удар сердца от жевания.
Силикон — это Sylgard 184, смешанный в пропорции 10 к 1, дегазированный, нанесённый методом центрифугирования слоем примерно 490 микрон (около 0,5 мм) и оставленный застывать на ночь. Поверхность FEP с обеих сторон обрабатывают кислородной плазмой: это делает её более шероховатой и увеличивает площадь контакта с силиконом. Сначала команда травила только одну сторону, но затем выяснила, что обработка обеих заметно усиливает сигнал. К коже прилегает голый силикон, а рабочий слой, обменивающийся зарядами, остаётся запечатан внутри, так что кожное сало не искажает показания.
Три датчика, три точки — и голова, которая сама обеспечивает прижим
Один датчик располагается на переносице над угловой артерией и считывает пульс, сильные моргания и поднятие бровей. Второй вынесен на небольшом кронштейне ближе к виску и нацелен на поверхностную височную артерию, фиксируя сжатие челюсти, постукивание зубами и жевание. Третий встроен в дужку над ухом — и здесь конструкция особенно изящна, потому что естественный зажим оправы на голове сам обеспечивает нужное давление контакта. Первые носовые упоры, напечатанные на 3D-принтере, давали неравномерный контакт, поэтому их заменили на регулируемые серийные упоры от обычных очков. Десятилетия наработок оптиков оказались эффективнее кастомной детали.
В исследовании с участием 20 человек, половина из которых носит очки ежедневно, классификатор Random Forest (модель машинного обучения, собирающая «голоса» множества деревьев решений) распознавал шесть видов активности с точностью 93,8%. Сильные моргания и постукивание зубами определялись с точностью 99%. Частота сердечных сокращений совпадала с показаниями нагрудного датчика Polar H10 с разницей всего 1,82 удара в минуту. Слабым местом оказалась речь — всего 55%: систему в 37% случаев принимала разговор за приём пищи, поскольку задействована одна и та же жевательная мышца.
4,1 микроватта: цифра, которой стоит опасаться любому аккумулятору
Эти 4,1 микроватта покрывают работу входного тракта датчиков и схемы, очищающей сигнал, и выглядят ничтожно малыми на фоне альтернатив. По данным научной работы, оптические датчики пульса (светящиеся зелёным диоды в умных часах) потребляют от 1 до 10 милливатт, а гелевые датчики мышечной активности — от 10 до 160 милливатт. Авторы подсчитали, что на аккумуляторе ёмкостью 100 мА·ч входной тракт GlassTENG «съел» бы менее полуминуты автономной работы, тогда как оптический датчик потратил бы часы. Прототип пока использует небольшую батарею для микроконтроллера и Bluetooth, а полностью автономная работа без батареи значится в планах.
Для сравнения: Ray-Ban Meta Gen 3 стоят от $449 и работают до девяти часов от одной зарядки, а Meta Ray-Ban Display обойдутся в $799, причём зарядный чехол остаётся главным ограничением их автономности. У GlassTENG пока нет ни цены, ни даты выхода, так что купить их в этом сезоне не получится. Разработчики видят будущее самопитающихся датчиков в наушниках, стельках и медицинских пластырях, а очки остаются самой сложной категорией: чем умнее становится датчик, тем меньше у производителей поводов от него отказываться.
* Принадлежит компании Meta, деятельность которой признана экстремистской и запрещена на территории Российской Федерации. Социальные сети Facebook и Instagram запрещены в РФ.
