西北大学研发 GlassTENG 智能眼镜：靠面部表情发电并充当传感器

Mit triboelektrischen Nanogeneratoren in Smart Glasses erzeugen Forscher mittels Gesichtsbewegungen elektrische Spannungen, die Körperdaten repräsentieren.

(Bild: Northwestern University)

Oliver Bünte

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Ein Ingenieursteam der McCormick School of Engineering der Northwestern University hat Smart Glasses entwickelt, die durch Gesichtsmimik elektrische Spannung zur Erfassung von Körperdaten erzeugt. Die Forscher wandeln durch Gesichtsbewegungen entstehende mechanische Energie, wie etwa Kieferbewegungen, Lidschläge und Arterienbewegungen an der Hautoberfläche, mittels triboelektrischer Nanogeneratoren (Triboelectric Nanogenerators – TENGs) in geringe Spannungen um.

In den Smart Glasses, die von den Forschern GlassTENG genannt werden, sind drei triboelektrische Nanogeneratoren integriert. Sie nutzen den triboelektrischen Effekt der Reibungselektrizität aus. Reiben zwei unterschiedliche Materialien aneinander und werden getrennt, dann wechseln Elektronen von einer Oberfläche zur anderen und es entsteht eine geringe elektrische Spannung. Die beiden Materialien sind dabei so gewählt, dass das eine Material eher Elektronen abgibt, das andere sie aufnimmt. PVC und Gummi etwa nehmen Elektronen auf (negativ) und Wolle und Glas geben sie eher ab (positiv).

Spannungserzeugung durch TENGs

Die von den Wissenschaftlern erstellten Nano-Generatoren bestehen aus verschiedenen Materialschichten, die durch Gesichtsbewegungen aufeinander gepresst und wieder voneinander getrennt werden. Das geht aus der Studie „GlassTENG: Self-Powered Triboelectric Nanogenerator based Sensing of Pulse, Jaw, and Upper Facial Activity from Everyday Glasses“ hervor, die in den Proceedings of the 2026 ACM International Symposium on Wearable Computers erschienen ist. Die drei Generatoren erzeugen dabei jeweils Strom aus unterschiedlichen Gesichtsbewegungen: durch das Zusammenbeißen des Kiefers, den Druck, der durch Lidschläge und Augenbrauenbewegungen entsteht und den Druck, der aus dem Pumpen des Blutes durch eine Schläfenarterie resultiert.

Die drei TENGs sind so in der Brille platziert, dass sie die Bewegungen optimal ausnutzen. Ein TENG befindet sich in der Nähe der Arteria angularis und der Augenmuskulatur. Das ermöglicht es dem Generator, den Puls, Lidschläge und Augenbrauenbewegungen zu nutzen. Ein TENG im Schläfenbereich erfasst die oberflächlichen Bewegungen der Schläfenarterie und der Kieferbewegungen. Der dritte Generator befindet sich in Ohrnähe und verwendet Kaubewegungen und Bewegungen, die beim Zusammenbeißen der Zähne entstehen zur Spannungserzeugung.

Die Generatoren liefern dabei unterschiedliche Spannungen. Durch Arterienbewegungen werden lediglich elektrische Spannungen von 50 bis 100 mV erzeugt. Liedschläge und Augenbrauenbewegungen liefern zwischen 200 und 500 mV. Die höchste Spannung entsteht durch Kieferbewegungen. Sie erzeugen Spannungen bis zu 1,5 V. Die Spannungen nutzen die Forscher als Sensorsignale, um aus ihnen etwa auf den Pulsschlag, Lidschläge und Kieferbewegungen zu schließen.

Körperdaten erfassen

Um aus den erzeugten Spannungen auf die Körperdaten schließen zu können, mussten 20 Probanden beim Tragen der GlassTENG verschiedene Aktivitäten wie Blinzeln, Augenbrauen hochziehen, Zähne zusammenbeißen, mit den Zähnen klappern, Essen und Sprechen durchführen. Mittels Algorithmen des maschinellen Lernens ermittelten die Wissenschaftler spezifische Aktivitätsmuster aus den durch die Gesichtsbewegungen erzeugten Spannungen. Es gelang den Forschern, fortan aus den Spannungen mit einer Genauigkeit von 93,8 Prozent auf die jeweilige Aktivität zu schließen.

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Die Wissenschaftler sind der Ansicht, dass sich GlassTENG dazu eignet, um damit Informationen zum Herz-Kreislauf-System und zu unbewusstem Verhalten ihrer Träger zu gewinnen. Die Brille erkennt etwa, wenn der Träger die Kiefer aufeinander presst und könnte ihn dann auffordern, sich zu entspannen. Auch Essgewohnheiten ließen sich mit GlassTENG erfassen. Der Vorteil der Technik ist der geringe Energieverbrauch. Das System benötigt für alle drei Sensoren lediglich 4,1 µW. Herkömmliche Sensorik in Gesundheits-Wearables benötigt um einige Größenordnungen mehr Energie. Durch den Wegfall größerer Batterien in der GlassTENG kann die Brille entsprechend filigran ausfallen. Die Wissenschaftler können sich vorstellen, dass die TENGs auch direkt in vorhandene Sehhilfen integriert werden.

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