Einmal pusten, bitte! Ungewöhnliche geruchsbasierte Biometrie

Eine Forschergruppe diverser japanischer Universitäten hat kürzlich eine interessante Studie veröffentlicht, in der eine völlig neue Form der biometrischen Authentifizierung beschrieben wird: die Atemanalyse. Die Idee ähnelt der Atemalkohol-Messtechnik, der Autofahrer oftmals unterzogen werden und der sich Berufskraftfahrer und Menschen anderer gefährlicher Berufsgruppen regelmäßig stellen.

Japanische Wissenschaftler erforschen die geruchsbasierte Authentifizierung. Wie funktioniert sie? Wie zuverlässig ist sie? Und wann werden wir anfangen, in unsere Smartphones zu pusten?

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Die in der Studie vorgeschlagene Methode ist jedoch deutlich komplizierter als die herkömmliche Atemalkohol-Messung. Zunächst muss sie nicht nur eine, sondern mehrere verschiedene chemische Verbindungen in der Atemluft identifizieren. Darüber hinaus muss das Verfahren nicht nur die Konzentration bestimmter Stoffe bestimmen, sondern auch eine Person anhand ihres chemischen „Atemabdrucks“ von einer anderen unterscheiden.

Aber…warum?

Insgesamt gilt die Atemanalyse als topaktuelles Forschungsgebiet. Durch maschinelle Lernalgorithmen zur Datenverarbeitung wurden in diesem Bereich bereits bedeutende Durchbrüche erzielt – zum Beispiel bei der Diagnose von Atemwegserkrankungen. Wenn also die Analysesysteme und Lernalgorithmen bereits verfügbar sind, warum sollte man dann nicht die Möglichkeit der Authentifizierung genauer unter die Lupe nehmen?

Wie funktioniert die atembasierte Authentifizierung?

In der ersten Phase wird die Luft gesammelt, die die Testpersonen ausatmen. Anschließend wird diese Luft durch ein 16-Kanal-Analysegerät geleitet (die Forscher versuchten, Daten mit einer geringeren Anzahl von Sensoren zu erfassen, was jedoch die Wirksamkeit der Methode sofort beeinträchtigte).

Jeder Kanal erkennt eine bestimmte chemische Verbindung in der Luft. Das Analysegerät zeichnet nicht nur die Intensität des Signals der Sensoren auf, sondern auch, wie sich diese Intensität im Laufe der Zeit verändert.

So funktioniert das atembasierte Authentifizierungssystem aktuell Quelle

Dabei wird eine große Menge an Daten gesammelt, die im Anschluss mithilfe maschineller Lernalgorithmen verarbeitet werden. Nachdem die Testdaten eingespeist wurden, kann der Algorithmus eine Person ziemlich genau anhand ihres Atems identifizieren.

Wie zuverlässig ist die Methode?

Die japanischen Forscher waren in der Lage, eine Person in 97% der Fälle anhand ihres Atems genau zu identifizieren. Kann das als Erfolg gewertet werden? Die Daten in dieser Studie sind nicht ausreichend, um diese Frage vollständig zu beantworten.

Wir können die Gesamtleistung mit Daten aus einer Studie aus dem Jahr 2016 vergleichen, in der unter anderem die Merkmale der Bewertung biometrischer Systeme untersucht wurden. Oberflächlich betrachtet ist die Atemmethode genauso zuverlässig wie ein herkömmlicher Fingerabdruckscanner und übertrifft in Bezug auf die Genauigkeit sogar leicht die Technologien zur Gesichtserkennung.

Genauigkeit der verschiedenen biometrischen Authentifizierungstechnologien. Quelle

Es ist jedoch wichtig, das Verhältnis zwischen falsch-negativ- (nicht erkannte registrierte Nutzer) und falsch-positiv-Rate (fälschliche Authentifizierung) zu berücksichtigen. Mit dem Problem falsch-negativer Ergebnisse werden wir so gut wie jeden Tag konfrontiert. Beispielsweise dann, wenn wir nicht von unserem Smartphone erkannt werden. Falsch-positive Meldungen hingegen sind unangenehm und sollten prioritär behandelt werden. Allerdings enthält diese Studie nicht genügend detaillierte Informationen darüber, wie die geruchsbasierte Authentifizierung in dieser Hinsicht abschneidet.

Interessanterweise verwiesen die Forscher bei der Atemanalyse auch auf frühere Studien – einschließlich ihrer eigenen – und hielten die Fortschritte fest, z. B. im Vergleich mit der chemischen Analyse des menschlichen Schweißes. (Ja, auch die Authentifizierung über Schweiß wurde erforscht!)

Wie praktisch ist die Methode?

Die Forscher verwendeten teure Laborgeräte, die man nicht einfach an einen Laptop, ein Telefon oder sogar ein Auto anschließen kann. Obwohl Alkohol-Zündschlosssperren bereits existieren und das Autofahren unter Alkoholeinfluss verhindern sollen, ist das Equipment, das für die atembasierte Authentifizierung erforderlich ist, wesentlich anspruchsvoller und teurer.

Schaut man sich die Studie genauer an, stößt man übrigens auf noch mehr Gründe, warum wir in absehbarer Zeit nicht in unsere Smartphones pusten werden, um diese zu entsperren: Wie bereits erwähnt, haben die Forscher zur Steigerung der Genauigkeit auch die Zerfallszeit bestimmter chemischer Verbindungen gemessen – was bis zu 40 Minuten dauerte!

Und damit nicht genug: Die Versuchspersonen durften vor dem Experiment sechs Stunden lang nichts essen. Denn dadurch sowie durch die in der Atemluft gefundenen Verbindungen, die eine Reihe von Krankheiten begleiten, kann die Genauigkeit der Ergebnisse beeinträchtigt werden. Der leichte Geruch von Alkohol oder eine einfache Erkältung könnten den Test verfälschen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es im Hier und Jetzt noch keinen großen praktischen Nutzen für diese Technologie gibt. Aber es handelt sich eindeutig um ein interessantes Forschungsgebiet, das in Zukunft weiterentwickelt werden könnte – vor allem in Hinblick auf verbesserte medizinische Diagnosesysteme.