Per identificare una persona, il suo stato di salute, molte sono le tecnologie che estrapolano elementi utili; principalmente si basano su dati biometrici, come impronte digitali o tratti fisiognomici. Ma questi non sono le uniche fonti possibili. Infatti, anche la camminata, l’andatura delle singole persone rappresenta un elemento per monitorare la salute. Per questo sono stati sviluppati sensori volti a rilevare uno schema utile per inquadrare e prevenire anche malattie degenerative. E al fine di rendere più chiara la rappresentazione degli schemi, e limitare i problemi derivanti da questioni di privacy, gli specialisti si sono ispirati a Harry Potter e la Marauder’s Map.
Autore: Prof. Luca Pani, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia (pagina personale)
Molte macchine possono riconoscere gli esseri umani dalle loro impronte digitali o dai loro tratti del viso. Questi tratti biometrici non sono però gli unici che distinguono gli individui. L’andatura di ogni persona è unica e può servire non solo come identificatore, ma anche come indicatore dell’umore e della salute.
Un team di ricercatori ha sviluppato dei sensori a distanza che analizzano i passi misurando le minime vibrazioni del pavimento. Hanno usato queste vibrazioni per identificare specifici individui che camminano attraverso un edificio e per testare un nuovo metodo di monitoraggio della salute.
Il modo in cui una persona cammina è “come un’impronta digitale, una firma molto particolare di se stessa”, dice Hae Young Noh, che inizialmente ha svolto la ricerca come ingegnere civile e ambientale alla Carnegie Mellon University, per poi essere trasferita all’Università di Stanford. Può rivelare “chi sei, dove sei, che tipo di attività stai svolgendo o anche il tuo stato cognitivo”. Se i sensori hardware rilevano uno schema di passi, il software può analizzarli per verificare l’identità di un individuo. “Sistemi simili lo hanno fatto con una precisione del 95%” dice Vir Phoha, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Syracuse University, che non è stato coinvolto nel nuovo lavoro. E gli schemi di camminata possono essere più di un semplice documento d’identità. “Ci sono molte informazioni che si possono imparare dall’andatura di una persona, in particolare informazioni relative alla salute”, dice Phoha. Se qualcuno inizia a mettere più peso su un lato o su un altro, per esempio, il cambiamento dell’equilibrio potrebbe indicare un problema neurologico. Queste informazioni potrebbero aiutare i medici a monitorare gli anziani e gli altri pazienti a rischio che vogliono vivere in modo indipendente: seguire l’andatura dei soggetti potrebbe tenere sotto controllo la loro salute senza interferire direttamente con il loro spazio.
Per misurare questa firma ricca di dati, i ricercatori hanno dovuto in precedenza equipaggiare i soggetti con dispositivi indossabili o farli camminare su speciali tappetini o pavimentazioni modificate. Ma Noh, l’ingegnere elettrico e informatico, Pei Zhang della Carnegie Mellon e i loro colleghi hanno deciso di sviluppare dei sensori di passo che funzionassero a distanza. Gli scienziati hanno approfittato del fatto che le normali pareti e i pavimenti raccolgono anche le deboli vibrazioni dell’attività nello spazio che contengono. “Chiamiamo queste ‘strutture come sensori’, dove usiamo queste grandi costruzioni, quali edifici e ponti, come sistema di rilevamento per monitorare indirettamente gli esseri umani e gli ambienti circostanti”, dice Noh.
Il rilevamento delle vibrazioni da un semplice passo richiede sistemi estremamente precisi. “Per darvi un’idea di quanto siano sensibili i nostri sensori: quando vi sedete sulla sedia, a un metro di distanza, mettiamo il sensore a terra”, dice Zhang, e “possiamo percepire il vostro battito cardiaco. Ogni sensore (un dispositivo cilindrico con un’altezza di pochi centimetri) si trova sul pavimento e può rilevare un deambulatore a una distanza anche di 20 metri”, dice Noh. “I ricercatori dispongono tali sensori in un sistema a matrice, su tutta l’area in cui vogliono rilevare i passi. Ma in un edificio molto affollato, questi dispositivi acuti rileverebbero molto di più. Così, il team ha dovuto anche elaborare un nuovo sistema, affinché distinguesse segnali rilevanti da qualsiasi rumore di fondo”.
“Estrapolare il rumore è la sfida più grande che abbiamo”, riporta Noh “e per farlo sono state necessarie sia soluzioni hardware, che software. Lato hardware, ogni sensore ha un amplificatore in grado di modificare automaticamente la vibrazione di passo che aumenta. Quando uno sembra arrivare da una distanza elevata, l’amplificatore lo alza. Quando il segnale diventa più forte e minaccia di sopraffare il sensore, l’amplificatore diminuisce la sua sensibilità”. Noh paragona questo processo al controllo a distanza del volume di un altoparlante: gli ascoltatori lo alzano quando sono più lontani per sentire meglio, ma quando si avvicinano, e il suono diventa troppo intenso, lo abbassano.
Una volta che i sensori hanno rilevato un passo, il software entra in funzione.
“Sviluppiamo varie tecniche di elaborazione del segnale e tecniche di apprendimento automatico (machine-learning) per capire qual è il segnale relativo all’uomo rispetto ad altri rumori che non ci interessano”, dice Noh. Come i dati provenienti da altri metodi di rilevamento dei passi (come, ad esempio, i dispositivi indossabili o i tappetini a pressione), i modelli di camminata misurati con questi sensori possono essere utilizzati per determinare l’identità di un individuo e rintracciare alcuni tipi di potenziali problemi di salute. Il team ha presentato il suo lavoro in diverse conferenze e seminari – più recentemente alla Conferenza internazionale di analisi modale della Society for Experimental Mechanics’ International Modal Analysis Conference, nel febbraio 2020 -.
Rispetto al tipo di visualizzazione resa dal tipo del comportamento dei camminatori – ricavata in diretta sul monitor di un computer -, un ricercatore ha ideato un dispositivo molto particolare. Eve Schooler, ingegnere principale e direttore delle emergenti reti “Internet of Things” di Intel, afferma di essere interessata a creare una versione tecnologica della “Marauder’s Map” (una magica planimetria tratta dalla serie di libri e film di “Harry Potter”) che usa i passi per individuare visivamente dove si trovano le persone. Nella realtà un tale dispositivo potrebbe rintracciare gli occupanti di un edificio e altri oggetti in tempo reale. Ispirandosi al suggerimento di Schooler, il team di Carnegie Mellon ha fatto la sua iterazione, creando un display digitale che mostra le impronte che appaiono su una pianta con l’aspetto della magica mappa cartacea.
“La fittizia Marauder’s Map ritraeva un solo luogo, ma i sensori portatili dei ricercatori possono essere utilizzati in qualsiasi edificio”, osserva Schooler. “Alcuni degli algoritmi sviluppati rendono il risultato trasferibile, che è ciò che è risulta più interessante”, dice. “Non devi fare singole calibrazioni per individuare la firma delle persone in tutti gli edifici: questi sistemi sono dotati per farlo autonomamente”. Una volta che il sistema sperimentale ha “appreso” l’andatura caratteristica di una persona, l’array dei sensori è in grado di riconoscere l’individuo, in ufficio o a casa. Data l’accessibilità economica dei dispositivi (secondo le stime di Noh, ogni singolo sistema richiederebbe circa 10-20 dollari per la produzione) e il fatto che possono essere posizionati ogni 20 metri per creare l’immagine di un intero piano – l’ampia gamma di applicazioni suggerite da Schooler sembra davvero possibile.
La capacità di condurre questo tipo di monitoraggio solleva ovvie preoccupazioni per la privacy, ma i ricercatori suggeriscono un impiego della loro tecnologia solo per applicazioni sanitarie, con preventivo consenso. Tali sistemi di monitoraggio, notano i ricercatori, possono aiutare i caregiver che hanno bisogno di sapere quando i pazienti anziani potrebbero cadere o gli ospedali pediatrici, che vogliono rilevare prima possibile i segni rivelatori di malattie croniche, come la distrofia muscolare. Per questi esempi, affermano gli sviluppatori, i sensori di passo preserverebbero la privacy meglio, ad esempio, di una telecamera che cattura anche le informazioni visive. “Questo sistema è stato pensato per affrontare le preoccupazioni sulla privacy, limitarle rispetto ad altri tipi di meccanismi di monitoraggio”, dice Zhang. E rispetto agli scenari legati alla salute, aggiunge: “Sono disposto a scambiare alcune delle mie informazioni sui dati per prevenire le cadute e per individuare le malattie”.