Ogni giorno affidiamo ai nostri smartphone, a volte senza rendercene conto, gran parte delle informazioni più riservate e personali. Grazie ai loro sensori, infatti, questi dispositivi possono conoscere la nostra posizione, monitorare le nostre attività, registrare audio e video di quel che ci sta attorno. E in futuro, con ogni probabilità, saranno in grado di raccogliere ancora più informazioni.
La loro parte smart, infondo, è strettamente collegata alla capacità di prevedere le nostre necessità e rispondere efficacemente ai nostri bisogni. Compiti impossibili da svolgere senza i dati necessari per analizzare abitudini e stili di vita. È facile prevedere, quindi, che gli smartphone di domani avranno a disposizione un vasto arsenale di sensori per monitorare la nostra salute, esaminare l’ambiente in cui viviamo e, infine, identificare univocamente il proprietario di tali informazioni per proteggerle da occhi non autorizzati.
Oggi ci concentreremo dunque su quei sistemi di riconoscimento biometrico che hanno ultimamente guadagnato tanta popolarità (con la diffusione di terminali dotati di scanner per le impronte digitali), parleremo dei sensori che permettono di analizzare la qualità dell’aria e dell’acqua e ci dedicheremo alle tecnologie alla base dei biosensori e del monitoraggio della salute. Non tralasceremo, infine, gli aspetti legati ad una possibile miniaturizzazione di tali sensori (NEMS).
I nostri smartphone (e sopratutto il loro contenuto) sono, come abbiamo detto, troppo preziosi per essere lasciati incustoditi. La necessità di proteggerli, tuttavia, si scontra spesso con la volontà di mantenere elevata la comodità d’uso, che sarebbe intaccata dall’uso di password complesse (normalmente seguita nel resto del mondo informatico).
Un buon compromesso tra sicurezza e comodità, da questo punto di vista, si può ottenere con l’utilizzo di brevi codici numerici (PIN) o pattern preimpostati. Questi sistemi, che sono più che sufficienti a garantire la protezione contro attacchi poco organizzati, sono tuttavia aggirabili da un malintenzionato sufficientemente abile e attento che ne sfrutti le debolezze (come l’uso di codici comuni o l’analisi delle impronte lasciate sul display).
Da qualche tempo poi un numero crescente di produttori asseconda la sete di sicurezza degli utenti proponendo sul mercato mobile dispositivi dotati di riconoscimento biometrico, che promettono un salto di qualità notevole rispetto ai sistemi di sicurezza tradizionali. L’utilizzo di caratteristiche distintive e misurabili del corpo umano, infatti, permette a queste soluzioni di vantare un grado di sicurezza teorico davvero elevato, mentre l’utilizzo di sensori appositi può semplificare e velocizzare lo sblocco del device.
Il sistema di riconoscimento biometrico oggi più diffuso è indubbiamente quello basato sulla scansione delle impronte digitali, che sfrutta l’immutabilità e l’individualità dei dermatoglifi (l’insieme di valli e creste presenti sui polpastrelli delle nostre dita). Le loro impronte, dunque, sono ritenute caratteristiche (non sono mai state trovate due dita con lo stesso pattern) e stabili nel tempo (si mantengono inalterate dall’ottavo mese di gravidanza fino alla morte, a meno di gravi traumi).
Queste proprietà le rendono delle buone chiavi biologiche, che hanno tuttavia il difetto di lasciare la propria sagoma su tutti gli oggetti che tocchiamo. Anche in questo caso, dunque, si rivelano inefficaci contro i (pochi) malintenzionati più organizzati. I nostri smartphone, comunque, possono rilevare il loro disegno con sensori basati su principi tecnologici molto diversi.
Un metodo abbastanza economico, ad esempio, prevede l’utilizzo di un sistema capacitivo passivo simile a quello utilizzato per rilevare la posizione delle nostre dita sul display (che abbiamo già discusso in un precedente articolo). Anche in questo caso, infatti, è presente una matrice di piccolissimi condensatori piani che, se messi in prossimità di un materiale conduttivo, cambiano la propria capacità. Questa volta , tuttavia, i singoli elementi hanno dimensioni microscopiche, in modo da poter distinguere la presenza di creste (conduttive) o di aria contenuta nelle valli (non conduttiva).
Sono poi numerosi i sistemi che si basano sull’emissione attiva di un segnale, che può essere luminoso, in radiofrequenza (sistemi capacitivi attivi) o in ultrasuoni. Tutte queste tecnologie, comunque, si basano sullo studio del segnale riflesso dai dermatoglifi, che può essere spesso registrato anche in presenza di strati protettivi spessi. Si tratta di sistemi, dunque, che si offrono bene all’integrazione in parti funzionali (come i tasti home frontali).
Non possiamo dimenticare, infine, le molte soluzioni basate sulla lettura termica tramite sensori piroelettrici (che generano una differenza di potenziale solo dove sono a contatto con le creste) o su quella a pressione, basata sull’uso di elementi piezoelettrici o di interruttori MEMS. Queste ultime tecnologie, comunque, sono poco diffuse in generale e, per quanto ci risulta, assenti in ambito smartphone dove i sistemi capacitivi sono i più comuni.
Una volta acquisiti i dati, in ogni caso, un algoritmo si occupa di ricreare l’immagine (se questa è stata ottenuta con i meno precisi sensori a scorrimento) e di confrontarla con quella registrata nel database. Avrà particolare importanza in questo contesto l’analisi delle minutiae, cioè di delle biforcazioni e dei tratti terminali delle creste, che saranno associate a dei vettori facilmente maneggiabili dal SoC.
La scansione delle impronte digitali, comunque, non è l’unica soluzione di riconoscimento biometrico utilizzabile in ambito mobile. Sistemi basati sull’impronta vocale, ad esempio, sono facilmente implementabili, così come non è difficile pensare ad un’evoluzione del riconoscimento tramite pattern in cui, al posto dei classici nove nodi da collegare, sia possibile disegnare una propria firma in libertà.
Questo tipo di soluzioni, che richiedono solo un algoritmo adeguato, sono tuttavia poco comodi e sicuri a causa della loro scarsa accuratezza, che li porta a produrre un numero relativamente elevato di errori (casi di falsi positivi o negativi). Per questo sembra che in futuro saranno sempre più diffusi i fingerprint scanner, affiancati magari dai primi lettori retinici, dell’iride o dei vasi sanguigni esterni dell’occhio.
Essendo organi interni facilmente visibili, infatti, queste parti del corpo umano sono ottime candidate come chiave biometrica. Come le impronte digitali sono determinate sin dalla più tenera età, sono attualmente molto difficili da copiare, non variano nel tempo e inoltre non hanno la cattiva abitudine di lasciare le proprie tracce nell’ambiente in cui viviamo.
La lettura dell’iride e dei vasi sanguigni, inoltre, non richiede la presenza di sensori specifici, ma è ottenuta semplicemente utilizzando una fotocamera frontale adatta (abbiamo già parlato abbondantemente di questo componente), magari affiancata da un led infrarosso. Se la scansione dei vasi sanguigni è facilmente implementabile anche dal punto di vista software, comunque, ben diversa è la situazione per quanto riguarda l’iride che, dilatandosi e contraendosi in maniera non perfettamente elastica in base alla luce ambientale, è più difficile da analizzare.
La maggior parte dei terminali attuali che sostiene di utilizzare un sistema di iris recognition, di conseguenza, utilizza in realtà una soluzione basata sulle vene visibili della parte bianca dell’occhio. Le fotocamere per smartphone odierne, poi, sono inadatte ad un’eventuale scansione del pattern di vasi sanguigni che caratterizza la retina e, oltre alla presenza del led infrarosso, richiedono ancora importanti sviluppi tecnologici.
Considerando che i dati biometrici non si possono cambiare, infine, è forse preferibile che le chiavi più nascoste (come l’iride e la retina) non siano utilizzate e registrate per usi in cui la lettura delle impronte digitali è più che sufficiente. La comodità raggiunta dai migliori fingerprint scanner, poi, ci lascia credere che in futuro saranno sempre di più i terminali sbloccabili in sicurezza con il tocco di un dito, mentre le tecnologie più potenti come la scansione delle vene oculari (o di quelle digitali, magari) saranno utilizzate come protezione aggiuntiva solo per i dati più sensibili.
Lo smartphone di domani non solo proteggerà efficacemente le nostre informazioni personali, ma monitorerà continuamente l’ambiente in cui viviamo per aiutarci a renderlo più vivibile e accogliente. Domenica scorsa abbiamo visto come i nostri dispositivi contengano già diversi sensori di temperatura (anche se questi spesso non indicano quella ambientale), ed oggi vedremo come sia possibile l’adozione di barometri, igrometri e sensori per la misura della qualità dell’aria e dell’acqua.
La tecnologia MEMS, ad esempio, permette la produzione di barometri di piccole dimensioni, utili per misurare la pressione atmosferica, migliorare l’accuratezza delle previsioni meteo e stimare l’altitudine a cui si trova il dispositivo. Sensori di questo tipo sono economici da produrre, e consistono sostanzialmente in una sottile membrana che agisce come il piatto di un condensatore o è collegata ad un materiale piezoelettrico. Le variazioni di pressione muovono dunque questo elemento che, per costruzione, genera una variazione di capacità (nel primo caso) o una differenza di potenziale facilmente misurabili.
Non dobbiamo sottovalutare, poi, l’importanza di un igrometro che, monitorando l’umidità relativa dell’aria, ci permette di capire quando le condizioni di un ambiente non sono ideali per la vita umana o, al contrario, sono eccessivamente favorevoli allo sviluppo di muffe e funghi. In questo caso il sensore di solito è composto semplicemente da un sale o da un materiale polimerico che, in base all’umidità ambientale, muta la propria resistenza al passaggio dell’elettricità.
In futuro, infine, è possibile che la crescente sensibilità dei consumatori nei confronti dei temi ecologici spinga i produttori ad integrare sensori per il monitoraggio dell’inquinamento ed a mettere in commercio sonde per il controllo della qualità del’acqua. Se queste ultime sono già realizzabili, tuttavia, allo stato attuale della tecnologia siamo ben lontani dal creare LoC (Lab-on-a-chip) MEMS per il monitoraggio della qualità dell’aria sufficientemente piccoli ed economici da essere integrati in uno smartphone.
Tutti questi dati, infine, saranno un giorno condivisi con le smart home di domani per garantire un uso ottimale dei sistemi di climatizzazione e di controllo della qualità dell’aria (deumidificazione, purificatori…).
In futuro gli smartphone potrebbero diventare importanti anche per il mantenimento della nostra salute grazie alla presenza di sensori che, monitorando continuamente i nostri parametri, possano avvisarci del possibile insorgere di malori e ci permettano, quindi, di agire tempestivamente.
Non si tratta, ovviamente, di tecnologie già disponibili e pronte per il mercato, ma in prospettiva non possiamo trascurare una loro possibile diffusione. Grazie ai MEMS, ad esempio, già oggi è possibile creare sensori BCG (Ballistocardiograph) che, misurando il moto del sangue grazie a sensibilissimi accelerometri, possono monitorare l’attività cardiaca con un dettaglio paragonabile a quello dei classici elettrocardiogrammi.
Questo sistema, naturalmente, soffre la presenza di rumore di fondo ed un eventuale moto del soggetto, ma c’è attualmente ottimismo sulla possibilità che gli smartphone del futuro possano misurare non invasivamente l’attività cardiaca stando semplicemente in mano all’utente o dentro la tasca dei suoi pantaloni.
Vi ricordiamo, inoltre, che questo sistema sarebbe molto diverso dal Photoplethysmogram (PPG) che attualmente è utilizzato sulla maggior parte degli sport tracker da polso e degli smartwatch. Quest’ultima tecnologia, infatti, si basa sull’osservazione ottica (tramite un LED ed un fotodiodo) della dilatazione ritmica dei vasi sanguigni generata dal cuore, ma non è sensibile alle singole fasi dell’attività cardiaca.
È probabile d’altra parte che la PPG, il cui sensore con piccoli accorgimenti può misurare anche il livello di ossigenazione del sangue, grazie al suo basso costo ed alla sua elevata diffusione monopolizzi per lungo tempo il mondo dei cardiofrequenzimetri per smart device. Entrambi i sistemi, comunque, possono essere utilizzati per ricavare via software anche una stima della pressione sanguigna.
Non possiamo dimenticare, infine, la possibilità che i terminali di domani integrino anche sensori più invasivi e meno comuni, come quelli che richiedono una goccia di sangue o di altri liquidi corporei per funzionare. In questa ottica si comprende la scelta di alcuni produttori di iniziare lo studio di terminali modulari, che possano integrare biosensori dedicati a particolari classi di consumatori (come i glucometri per i diabetici) e LoC.
Lo sviluppo di biosensori sempre più piccoli ed efficienti, per concludere, potrebbe un giorno portare a dispositivi che, in caso di necessità, siano in grado di misurare gran parte dei parametri del nostro sangue in poco tempo. Questa possibilità, oggi assai lontana dall’essere realizzabile, segnerebbe un incredibile passo avanti nel campo del e-healt.
Concludiamo questo articolo dedicando qualche riga al mondo dei Nanoelectromechanical systems (NEMS), cioè alle tecnologie che promettono di diminuire ulteriormente le dimensioni dei sensori. In questo campo, di fatto, esistono due approcci differenti che, utilizzati contemporaneamente, possono portare già oggi ad incredibili risultati in laboratorio.
Il primo approccio è quello classicamente utilizzato in ambito tecnologico, e prevede un affinamento delle tecniche produttive già utilizzate per i MEMS (approccio top-down). In questo caso si utilizza ancora una volta la litografia, ma si scelgono sorgenti luminose più energetiche (ultravioletti) o fasci di elettroni per aumentare la risoluzione del processo di stampa.
L’approccio opposto, invece, è quello bottom-up e prevede l’uso del riconoscimento molecolare e di materiali autoassemblanti per manovrare le singole molecole. Purtroppo questa tecnologia, che sulla carta è molto promettente e permetterebbe l’uso di interessanti allotropi del carbonio (come grafene e nanotubi), si trova ancora ad un livello embrionale e non sembra facilmente adattabile alla produzione di massa.
Lo studio dei nanotubi in laboratorio, ad esempio, oggi si effettua quasi sempre depositando l’elemento da studiare su un disco di silicio e costruendo attorno, tramite la classica litografia, la struttura desiderata: chiaramente un processo poco commerciale.
Si chiude qui il nostro appuntamento settimanale della rubrica “Tecnologia e Futuro“. Se vi è piaciuto questo articolo non perdetevi quello di domenica prossima, in cui parleremo dei sistemi di posizionamento satellitare!
