Forscher entwickeln einen intelligenten Ring für das Gesundheitswesen und die erweiterte Realität

May 12, 2023

1. Juni 2023

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von Katherine DeFiore, Pennsylvania State University

Ein Forscherteam der Penn State School of Electrical Engineering and Computer Science möchte mit seinem intelligenten Sensorring OmniRing die Gesundheitsversorgung und erweiterte Realität – die virtuelle, erweiterte und gemischte Realität umfasst – ermöglichen.

Der Ring verwendet sowohl IMU-Sensoren (Inertial Measurement Unit), die Position, Geschwindigkeit und Rotation der Finger erfassen können, als auch Photoplethysmographie-Sensoren (PPG), die Infrarotlicht verwenden, um volumetrische Änderungen in der Blutzirkulation zu messen. Die IMU-Sensoren werden zur Erkennung und Verfolgung von Fingerbewegungen verwendet, und die PPG-Sensoren werden zur Erfassung und Analyse von Gesundheitsmetriken wie Herzfrequenz, Glukosespiegel und Sauerstoffsättigung verwendet.

„Die Sensordaten bieten umfangreiche Informationen, um den Stress und die Stimmung des Trägers zu erfassen und Meditations- und Entspannungsaktivitäten zu empfehlen“, sagte Mahanth Gowda, Assistenzprofessor für Informatik und Ingenieurwesen bei Wormley Family. „Wir erforschen derzeit tiefergehende Anwendungen an der Schnittstelle von Sensorik, maschinellem Lernen und Edge Internet of Things, um die Möglichkeiten dessen zu erweitern, was in der praktischen kleinen Größe eines Rings erreicht werden kann.“

Der Aufsatz des Forschungsteams „One Ring to Rule Them All: An Open Source Smartring Platform for Finger Motion Analytics and Healthcare Applications“ wurde kürzlich beim Internet of Things Design mit dem Best Paper Award in der Kategorie „Edge Internet of Things Artificial Intelligence“ ausgezeichnet und Implementierungskonferenz.

In dem Artikel wird detailliert beschrieben, dass der OmniRing im Gegensatz zu Smartwatches über kein Display verfügt und daher eine längere Akkulaufzeit unterstützen kann. Dadurch ist es möglich, den Ring jederzeit zu tragen, auch beim Schlafen und Schwimmen, wodurch der Ring tiefere und intimere Ebenen der Wahrnehmungsinformationen erfassen kann.

„Unsere Hoffnung ist es, die Technologie in die Realität umzusetzen“, sagte der Doktorand und OmniRing-Hardware-Leiter Taiting Lu. „Da der Ring großes Potenzial haben kann, den Menschen in der Zukunft zu helfen, wollen wir ihn nicht auf das Labor beschränken, sondern ihn in die reale Welt bringen.“

Um dieses Ziel zu erreichen, hat das Forschungsteam als erstes Unternehmen einen intelligenten Ring mit Open-Source-Design entwickelt, was bedeutet, dass es alle Details zu seiner Hardware, Software und Firmware vollständig offengelegt hat. Dies wird es der Forschungsgemeinschaft ermöglichen, potenziell interessante Anwendungsfälle für die Technologie zu finden und zu entwickeln.

Lu betonte, dass das Projekt eine Errungenschaft der Teamarbeit sei, bei der jedes Mitglied eine entscheidende Rolle dabei spiele, die Technologie in die Realität umzusetzen. Zum Forschungsteam gehören neben Gowda und Lu die Doktoranden Hao Zhou, Yilin Liu, Shijia Zhang und Runze Liu.

„Wir gehen davon aus, dass OmniRing in der Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird: Einzelpersonen werden in der Lage sein, mühelos mit ihren angeschlossenen Geräten zu interagieren, indem sie Handbewegungen nutzen“, sagte Hao Zhou, Doktorand und OmniRing-Leiter für maschinelles Lernen. „Persönliche Gesundheits- und Emotionsdaten können selektiv in Echtzeit weitergeleitet werden, sodass umliegende Geräte die Informationen interpretieren und angemessen reagieren können. Anders ausgedrückt: Unser Ziel ist es, sicherzustellen, dass OmniRing seinen Namen verdient.“

Zusätzlich zum Gesundheitswesen und XR könnte der Ring durch die Integration mit anderen Sensoren möglicherweise die Erkennung und Übersetzung von Gebärdensprache ermöglichen, sagten die Forscher.

Um dies zu erreichen, arbeitet Gowdas Labor aktiv mit Kenneth DeHaan zusammen, dem Direktor des Master of Arts-Programms für Gebärdensprachenerziehung an der Gallaudet University in Washington, D.C. und Mitglied der Gehörlosengemeinschaft.

Lu erklärte, dass sein Forschungsteam und DeHaan Herausforderungen untersuchten, die mit einer solchen Technologie bewältigt werden könnten. DeHaan wies das Team auf eine häufige Situation hin: „Oft sind Baristas oder Kellner in einem öffentlichen Umfeld, beispielsweise in einem Café, ungeduldig, einem Kunden beim Aufschreiben seiner Bestellung behilflich zu sein, was den Kunden und sein Einkaufserlebnis herabwürdigt.“ Deshalb wollen wir mit dieser Technologie für Chancengleichheit sorgen.“

Im Frühjahr 2023 nahmen Lu und sein Team am Invent Penn State NSF I-Corps Short Course-Programm teil, das Forschern dabei hilft, mit potenziellen Kunden in Kontakt zu treten und diese zu befragen, um zu erfahren, welche potenziellen Iterationen sie an ihrer Technologie vornehmen können und wie sie diese am besten präsentieren und optimieren können Sprechen Sie vor dem Markteintritt über die Technologie.

„Der größte Vorteil des kurzen Kurses besteht darin, dass er mir beigebracht hat, wie ich die Bedürfnisse oder Schwierigkeiten der Kunden erkennen kann“, sagte Lu. „Wir können denken, dass unser Produkt das beste ist und all diese Probleme lösen kann, aber die Realität ist, dass wir uns zuerst die Meinungen von Partnern und Kunden sowie der Community anhören müssen, dann können wir eine gute Entscheidung darüber treffen.“ „Der Einsatz unserer Technologie ist am sinnvollsten.“

Das OmniRing-Team nahm auch am Happy Valley LaunchBox powered by PNC Bank Idea TestLab teil, einem vierwöchigen Programm, das jedem mit einer Idee hilft, mit potenziellen Kunden in Kontakt zu treten, um das Problem und eine mögliche Lösung besser zu definieren. Lu sagte, er und sein Team hätten auch die Gelegenheit gehabt, mit Alert Heart zusammenzuarbeiten, einem anderen Startup aus Penn State, das ein Gerät entwickelt, mit dem Herzinfarkte drahtlos erkannt und die Betreuer alarmiert werden können.

„Ich würde den Kurzkurs auf jeden Fall anderen Forschern empfehlen“, sagte Lu. „Es wäre ein guter Ausgangspunkt, wenn man über eine Produkt- und Forschungsfinanzierung sowie einen Prototyp verfügt. Dadurch erhält man viel Erfahrung und kann lernen, wie man die Technologie aus dem Labor in die Praxis umsetzt.“

Derzeit wurde OmniRing getestet und ist in der Lage, 3D-Hand- und Fingerbewegungen zu erkennen, sagten die Forscher. Der nächste Schritt für das Team besteht darin, den Ring so zu programmieren, dass er die für ASL spezifischen Hand- und Fingerbewegungen erkennt und Gesundheitsfunktionen wie die Überwachung der Herzfrequenz und Sauerstoffsättigung implementiert.

Das Forschungsteam sucht derzeit nach Kooperationsmöglichkeiten für Forschung und Kommerzialisierung und hofft, diesen Sommer am NSF I-Corps National Teams-Programm teilnehmen zu können, um seinen Markt durch zusätzliche Kundeninterviews einzugrenzen.

Die Studie wird im Rahmen der Proceedings of the 8th ACM/IEEE Conference on Internet of Things Design and Implementation veröffentlicht.

Mehr Informationen: Hao Zhou et al., One Ring to Rule Them All: An Open Source Smartring Platform for Finger Motion Analytics and Healthcare Applications, Tagungsband der 8. ACM/IEEE-Konferenz zum Thema Design und Implementierung des Internets der Dinge (2023). DOI: 10.1145/3576842.3582382