Hoofdtelefoon als hartslagmonitor

Beeld: De adapter werd succesvol getest bij 54 verschillende headsets.

Draadloze hoofdtelefoons of oortjes hebben tegenwoordig al heel wat ingebouwde elektronica. Sommige hebben ruisonderdrukking. Andere detecteren of je zit of wandelt, of hebben een sensor die de luchtdruk meet en dus weet op welke hoogte je je bevindt. Maar de overgrote meerderheid van de bestaande hoofdtelefoons is dom. Het zijn eenvoudige, ‘passieve’ apparaten die met een kabel aan een muziekbron hangen. Ze bestaan zelden uit meer dan twee luidsprekers en wat bekabeling.

Met een kleine adapter kunnen zulke doodgewone hoofdtelefoons worden omgetoverd tot sensors met verschillende toepassingen. Je kunt ze inzetten om bijvoorbeeld je hartslag te meten, of zelfs om te herkennen wie de hoofdtelefoon draagt. Het apparaat, dat ontwikkeld werd door onderzoekers aan de Amerikaanse Rutgers University met medewerking van Microsoft en Samsung, kreeg de naam HeadFi.

Elektrische signalen

Het experimentele toestelletje is nu al betrekkelijk klein. Maar het zou nog compacter kunnen, luidt het. De onderzoekers denken dat het zelfs zo klein kan worden dat smartphonefabrikanten het rechtstreeks in hun telefoons kunnen inbouwen. ‘Met een eenvoudige upgrade kan de adapter honderden miljoenen bestaande reguliere hoofdtelefoons veranderen in slimme exemplaren’, zegt Xiaoran Fan, doctoraatsstudent en een van de uitvinders van HeadFi.

Hoe kan een adapter een domme hoofdtelefoon intelligent maken? Het begon voor Fan en zijn collega’s met het besef dat de luidsprekers in een hoofdtelefoon niet enkel geluid afspelen, maar ook elektrisch reageren op drukveranderingen binnen de afgesloten ruimte die gevormd wordt aan elk oor. Die heel minimale veranderingen ontstaan bijvoorbeeld door een hartslag of een aanraking aan de buitenkant van de hoofdtelefoon. Als reactie daarop ontstaan kleine elektrische signalen in de hoofdtelefoonkabel. Het zijn die schommelingen in het voltage die de adapter kan meten.

Dat meten is moeilijker dan het lijkt. Het gaat hier welbeschouwd om zeer kleine veranderingen, die makkelijk kunnen wegzinken in het audiosignaal van de muziek die door de hoofdtelefoon gaat. Even uitdagend was een manier te vinden om de schommelingen te meten zonder dat de adapter zelf een invloed zou hebben op de meting of de geluidskwaliteit.

De adapter moet zo compact worden dat hij in de smartphone kan.

Verwerken in smartphones

Om de uitvinding te testen namen de onderzoekers 54 verschillende hoofdtelefoons, gaande van een eenvoudig model van enkele euro’s tot audiofiele exemplaren tot 15.000 euro. Ze voerden tests uit bij 27 vrijwilligers. De onderzoekers ontdekten dat de adapter behoorlijk goed werkte en verrassende toepassingen mogelijk maakte.

Zo wordt het dus mogelijk om te identificeren wie de hoofdtelefoon draagt, gewoon door heel kort een testtoon te spelen en de unieke drukveranderingen te meten die veroorzaakt worden door het gehoorsysteem van de drager. In 95 procent van de tests konden de slimme hoofdtelefoons de drager correct identificeren. Dat gold zelfs ook voor een tweeling die deel uitmaakte van de proefpersonengroep.

De hoofdtelefoons met adapter konden ook correct de hartslag meten van de drager, en ze konden dienstdoen als microfoon. Verder slaagde de HeadFi-adapter erin om tikken en vegen van de dragers te registreren, zodat de hoofdtelefoons touch controls kregen. Als gebruiker kun je dan bijvoorbeeld het volume veranderen door je vinger over een schelp van de hoofdtelefoon te verslepen. De adapter kon zelfs het onderscheid maken tussen aanrakingen op de linker- en de rechterschelp van de hoofdtelefoon. Die functionaliteiten vereisen doorgaans een toegewijde sensor en chip.

De onderzoekers denken dat de adapter op commerciële schaal kan doorbreken. De kostprijs van de benodigde onderdelen ligt rond een halve dollar, en die prijs kan nog lager als de adapter wordt ingebed in een smartphone. De bestaande elektronica in die toestellen kan immers een deel van het werk overnemen dat nu door de adapter wordt uitgevoerd.