Ohne Kabel, ohne Akku: Forschungsteam entwickelt stromlose Bewegungssensoren

Bewegungsmelder, Türsensoren, Aktivitätstracker – smarte Heimsensoren sind aus modernen Wohnungen kaum mehr wegzudenken. Doch sie haben einen gemeinsamen Haken: Sie brauchen Strom. Entweder über Kabel oder über Batterien, die regelmäßig gewechselt oder aufgeladen werden müssen. Forschende des Georgia Institute of Technology haben nun eine Lösung entwickelt, die ohne jegliche Stromversorgung auskommt.

Metallscheiben mit akustischem Fingerabdruck

Das Herzstück der Erfindung sind winzige Metallplättchen, die kleiner als ein Centstück sind und nur wenige Cent in der Herstellung kosten. Die Plättchen ähneln von der Form her einer flachen Unterlegscheibe mit einer Öffnung in der Mitte und präzise eingestanzten Aussparungen am Rand. Genau diese Form entscheidet über ihre Funktion: Wird ein Plättchen angeschlagen, erzeugt es einen kurzen Ultraschallton mit einer ganz bestimmten Frequenz. Da jede Geometrie eine andere Frequenz erzeugt, besitzt jedes Plättchen einen einzigartigen akustischen Fingerabdruck.

Um die passenden Formen zu entwickeln, erstellte das Team um Bolei Deng von der Daniel Guggenheim School of Aerospace Engineering ein Simulations- und Modellierungswerkzeug, das Ringgeometrien für definierte Ultraschallfrequenzen berechnet. Die Simulation identifizierte knapp 1.300 unterschiedliche Designvarianten – alle im Ultraschallbereich oberhalb von 20 Kilohertz, also für menschliche Ohren vollkommen unhörbar. Für die praktischen Tests verwendete das Team 15 dieser Designs.

Ultraschall ohne Strom

Der vollständige Sensor besteht aus drei Teilen: dem Metallplättchen auf einer kleinen Kunststoffbasis sowie einer separaten Kunststofflasche, die beim Öffnen einer Tür oder Schublade gegen das Plättchen schlägt. Die Basis wird am festen Teil – etwa dem Türrahmen – befestigt, die Lasche am beweglichen Teil, also der Tür selbst. Sobald die Tür geöffnet oder geschlossen wird, trifft die Lasche auf das Plättchen und löst den charakteristischen Ultraschallton aus.

Dieser Ton wird von einem handelsüblichen Mikrofon in der Nähe aufgefangen – etwa dem einer Smartwatch oder eines Smartphones. Eine einfache Software mit fest programmierten Regeln identifiziert dann anhand des Tons, welcher Sensor ausgelöst wurde. Auf aufwendige maschinelle Lernverfahren verzichteten die Forschenden dabei bewusst, um den Rechenaufwand und damit den Energiebedarf auf der Empfängerseite so gering wie möglich zu halten.

Ein praktischer Vorteil des Ultraschalls: Die Signale breiten sich kaum weiter als etwa einen Meter aus. Das macht das System von Haus aus datenschutzfreundlich, da andere Geräte in der Wohnung den Ton schlicht nicht wahrnehmen.

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Anwendungen vom Badezimmer bis zur Lagerhaltung

Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig. Yibo Fu, Doktorand in der Robotik und Leiter des Projekts, nennt konkrete Beispiele: Sensoren an Wasserhähnen könnten den Wasserverbrauch überwachen, Sensoren an Toilettendeckeln könnten pflegebedürftige Angehörige im Blick behalten. Im Fitnessstudio angebracht, ließe sich mit ihnen die Anzahl von Wiederholungen beim Krafttraining zählen. Auch manuelle Tastversionen, die beim Drücken einen Timer starten oder eine Aktivität protokollieren, sind denkbar.

Nachdem Fu die Sensoren in einem viralen Instagram-Video vorstellte, das innerhalb kurzer Zeit fast zwei Millionen Aufrufe erzielte, kamen aus der Community weitere kreative Ideen: Nutzer:innen schlugen vor, die Tags in Archivsystemen einzusetzen, um zu verfolgen, welche Kartons aus einem Regal entnommen oder zurückgestellt werden. Andere dachten an den Einsatz zur Standortverfolgung von Tausenden Müll- und Recyclingbehältern in kommunalen Entsorgungssystemen.

Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies veröffentlicht. Ob und wann die Technologie marktreif wird, ist noch offen, doch das Interesse ist offensichtlich vorhanden.

via Georgia Tech