Innovatieve oplossingen Maak kennis met slimme brillen met minuscule sensoren

Onderzoekers hebben een slimme bril ontwikkeld die is uitgerust met minuscule sensoren die mechanische energie uit gezichtsbewegingen opvangen en deze omzetten in elektrische energie.

Illinois/VS – Van knipperen en glimlachen tot het op elkaar klemmen van de kaken en het optrekken van de wenkbrauwen: gezichten zijn voortdurend in beweging — en wekken daarbij kleine hoeveelheden energie op.

Nu zetten ingenieurs van Northwestern University die energie in.

In een nieuw onderzoek heeft het team een geheel nieuw type slimme bril ontwikkeld, uitgerust met minuscule sensoren die mechanische energie uit gezichtsbewegingen opvangen en deze omzetten in elektrische energie. Zelfs een snelle oogknippering of de zwakke puls van een slagader levert voldoende mechanische energie om de uiterst gevoelige sensoren te activeren.

Om hun sensoren met eigen stroomvoorziening te testen, gebruikten de onderzoekers de bril om het op elkaar klemmen van de kaken, het tikken met de tanden, het knipperen met de ogen en het optrekken van de wenkbrauwen te detecteren. De bril kon deze bewegingen niet alleen onderscheiden van alledaagse activiteiten zoals praten en eten, maar herkende ook het tikken met de tanden met een nauwkeurigheid van 99 % en het op elkaar klemmen van de kaken met een nauwkeurigheid van 96 %.

Deze doorbraak zou de weg kunnen effenen voor gewone brillen waarmee de cardiovasculaire gezondheid, bruxisme (onbewust kaken op elkaar klemmen en tandenknarsen), vermoeidheid, eetgedrag en andere activiteiten gedurende de dag naadloos kunnen worden gemonitord — zonder omvangrijke batterijen of regelmatig opladen.

De onderzoekers zullen dit project, genaamd Glassteng, op donderdag 15 oktober om 16.00 uur China Standard Time (04.00 uur EDT) presenteren tijdens Ubicomp/ISWC 2026, een toonaangevende conferentie op het gebied van alomtegenwoordige, pervasieve en draagbare computers. “Glassteng: zelfvoedende tribo-elektrische nanogenerator voor het meten van hartslag, kaak- en bovenste gezichtsactiviteit via een gewone bril” maakt deel uit van de sessie “Eyewear Computing”. Het artikel is te vinden in de Proceedings van het ACM International Symposium on Wearable Computers 2026.

“Het menselijk gezicht is een goudmijn aan gezondheidsgegevens, waardoor een gewone bril het perfecte draagbare apparaat is,” aldus Nivedita Arora van Northwestern, die leiding gaf aan het onderzoek. “Over het algemeen registreren draagbare apparaten gezondheidsgegevens, zoals de hartslag, via de pols. Maar mensen moeten eraan denken die trackers te dragen en ze af te doen om ze op te laden. Ons idee is gebaseerd op het feit dat de helft van de bevolking al een bril draagt. We kunnen die brillen omtoveren tot wearables zonder dat mensen hun gewoontes en gedrag hoeven te veranderen.”

Arora, een expert op het gebied van zelfaangedreven elektronica, is Breed Chair Assistant Professor in elektrotechniek, computertechniek en informatica aan de McCormick School of Engineering van Northwestern, waar ze leiding geeft aan het Vasudhaiva Kutumbakam (VAK) Embodied Systems Lab. Raj Dave, Jovanis Prodanich en Yung-ching Lai – allen masterstudenten bij het VAK Embodied Systems Lab – zijn de co-eerste auteurs van het onderzoek.

Een beetje ruis kan veel betekenen

De kern van de nieuwe bril wordt gevormd door drie flinterdunne apparaten die tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG’s) worden genoemd. Hoewel de naam ingewikkeld klinkt, is het fenomeen erachter bekend: statische elektriciteit.

Iedereen die op een droge winterdag een ballon tegen zijn haar heeft gewreven of de vacht van een kat heeft geaaid, heeft het tribo-elektrische effect ervaren. Wanneer twee verschillende materialen met elkaar in contact komen en vervolgens weer uit elkaar gaan, kunnen elektronen van het ene materiaal naar het andere worden overgedragen, waardoor een kortstondige elektrische lading ontstaat.

Glassteng maakt gebruik van datzelfde basisprincipe. Elke flexibele sensor bestaat uit lagen materiaal die herhaaldelijk tegen elkaar drukken en weer uit elkaar gaan als reactie op gezichtsbewegingen. Een oogknippering drukt bijvoorbeeld tegen de ene sensor. Een samengeknepen kaak activeert een andere. Zelfs de subtiele druk die ontstaat doordat bloed door een slagader stroomt, kan de sensoren in beweging brengen.

“Wanneer de lagen elkaar raken en weer van elkaar loskomen, wekken ze een miniem spanningsverschil op,” zei Arora. “Dat betekent dat juist de beweging die wordt gemeten, de mechanische energie levert die nodig is om de detectie ervan mogelijk te maken. Met andere woorden: een oogknippering helpt de sensor van stroom te voorzien die de oogknippering detecteert.”

Drie sensoren, veel signalen

Om zoveel mogelijk informatie te verzamelen, hebben Arora en haar team drie sensoren op strategische plaatsen rond het montuur van de bril geplaatst. Eén bevindt zich op de neusbrug, vlakbij de arteria angularis en de spieren rondom de ogen. Daar kan hij zowel de hartslag als het knipperen en de bewegingen van de wenkbrauwen registreren. Een andere sensor bevindt zich bij de slaap, waar hij de oppervlakkige temporale slagader detecteert, evenals kaakbewegingen. Een derde sensor bevindt zich dichter bij het oor, waar hij bewegingen detecteert die voortkomen uit kauwen en het op elkaar klemmen van de tanden.

Samen bieden de drie sensoren de bril verschillende invalshoeken van waaruit de bewegingen van het gezicht kunnen worden ‘waargenomen’. Bovendien zijn de sensoren gevoelig voor verschillende krachten. Een arteriële hartslag — de lichtste kracht die de onderzoekers hebben getest — genereerde elektrische signalen van ongeveer 50 tot 100 millivolt. Knipperen met de ogen en het optrekken van de wenkbrauwen leverden ongeveer 200 tot 500 millivolt op. Sterkere kaakbewegingen, zoals kauwen en het op elkaar klemmen van de kaken, genereerden signalen tot wel 1,5 volt.

“Deze verschillen geven verschillende gezichtsactiviteiten hun eigen herkenbare elektrische signalen,” zei Arora.

Terwijl ze Glassteng droegen, voerden 20 deelnemers zes activiteiten uit: knipperen met de ogen, hun wenkbrauwen optrekken, hun tanden op elkaar klemmen, met hun tanden tikken, eten en praten. Het onderzoeksteam gebruikte vervolgens algoritmen voor machine learning om patronen in de elektrische signalen te analyseren en te bepalen welke activiteit elke deelnemer uitvoerde. Over de zes activiteiten heen behaalde het systeem een nauwkeurigheid van 93,8 %.

“Een van de meest opwindende mogelijkheden is het gebruik van deze technologie om onbewust gedrag om te zetten in kansen voor zinvol gedrag,” aldus medeauteur van het onderzoek Nabil Alshurafa, universitair hoofddocent preventieve geneeskunde, informatica en elektrotechniek en computertechniek aan Northwestern, waar hij verbonden is aan de Feinberg School of Medicine en McCormick van Northwestern University. “Stel je een bril voor die herkent wanneer iemand zijn kaken op elkaar klemt en hem of haar zachtjes aanspoort om te ontspannen, of die eetgedrag detecteert en bewustwording van eetgewoonten stimuleert. Door cardiovasculaire en gedragsmetingen te combineren binnen hetzelfde platform met ultralaag stroomverbruik, opent Glassteng de deur naar onderzoek naar de wisselwerking tussen fysiologische toestanden en alledaags gedrag, en naar het aanbieden van gepersonaliseerde interventies op de momenten dat deze het meest nuttig kunnen zijn.”

Ultralaag stroomverbruik, grote voordelen

Naast wat Glassteng kan, is een ander groot voordeel juist wat het niet nodig heeft: elektriciteit. Veel bestaande wearables verbruiken continu stroom. Dit constante stroomverbruik leidt tot een grotere energiebehoefte, waardoor grotere batterijen nodig zijn, die extra gewicht en omvang met zich meebrengen. Batterijen moeten bovendien regelmatig worden opgeladen, wat een extra belemmering vormt voor echt continue gezondheidsmonitoring.

De drie sensoren van Glassteng verbruiken samen slechts 4,1 microwatt — een factor die vele malen lager is dan bij veel conventionele sensortechnologieën. Vervolgens worden de gegevens via Bluetooth rechtstreeks naar een smartphone of tablet gestreamd.

“Op de lange termijn willen we berekeningen op het apparaat zelf uitvoeren,” zei Arora. “Als het een fysiologische gebeurtenis zou detecteren, zou het op een batterijloze manier over ingebouwde intelligentie beschikken die onmiddellijke feedback zou kunnen geven. Als het bijvoorbeeld zou detecteren dat de kaken worden samengeknepen, zou het de gebruiker onmiddellijk kunnen waarschuwen om de kaken te ontspannen. Ik denk dat het slechts een kwestie van tijd is voordat de brillen die we dagelijks dragen onze gezondheid kunnen monitoren.”

“De toekomst bestaat niet alleen uit wearables die ons vertellen wat we hebben gedaan,” zei Alshurafa, “maar ook uit wearables die ons helpen te herkennen en te veranderen wat we op dat moment aan het doen zijn.”

Het onderzoek, getiteld “Glassteng: zelfaangedreven tribo-elektrische nanogenerator voor het meten van hartslag, kaakbewegingen en activiteit in het bovenste deel van het gezicht via een gewone bril”, werd gedeeltelijk gefinancierd door Ansys.