کالبدشکافی سنسورهای اثر انگشت اولتراسونیک: گوشی شما واقعاً چگونه دست خیس را می‌شناسد؟

انگشت خود را روی صفحه نمایش گوشی می‌گذارید. در برخی گوشی‌ها، در همان لحظه نور شدیدی از زیر نمایشگر به انگشت شما می‌تابد تا قفل باز شود. اما در برخی دیگر، هیچ نوری در کار نیست و قفل در کسری از ثانیه باز می‌شود، حتی اگر دستتان کاملاً خیس باشد. تفاوت این دو تجربه، صرفاً یک ارتقای نرم‌افزاری یا ترفند بازاریابی نیست؛ بلکه تقابل دو دنیای کاملاً متفاوت در فیزیک است: نور در برابر صوت.

شرکت‌ها معمولاً از عبارت «سنسور زیر نمایشگر» استفاده می‌کنند تا حس آینده‌نگرانه‌ای به کاربر بدهند، اما در واقعیت، سنسورهای رایج‌تر و ارزان‌ترِ «نوری» (Optical) چیزی جز دوربین‌های بسیار کوچکی نیستند که زیر نمایشگر پنهان شده‌اند. وقتی انگشت خود را روی صفحه می‌گذارید، پیکسل‌های نمایشگر نور شدیدی تولید می‌کنند تا این دوربین بتواند یک عکس دوبعدی از خطوط انگشت شما بگیرد. اما این روش یک نقطه ضعف فیزیکی بزرگ دارد: آب.

وقتی دست شما خیس یا چرب است، قطرات آب بین پوست و شیشه قرار می‌گیرند. آب باعث شکست و انحراف نور (Refraction) می‌شود. در نتیجه، دوربینی که زیر نمایشگر قرار دارد، تصویری تار و درهم‌ریخته از اثر انگشت شما می‌بیند و قفل گوشی باز نمی‌شود. اینجاست که مهندسان برای حل این بن‌بست، به جای نور به سراغ امواج صوتی رفتند و سنسورهای اولتراسونیک (فراصوت) متولد شدند.

قلب تپنده یک سنسور اولتراسونیک، قطعه‌ای به نام مبدل پیزوالکتریک (Piezoelectric Transducer) است. این قطعه که از مواد خاصی مانند نیترید آلومینیوم ساخته شده، می‌تواند انرژی الکتریکی را به ارتعاشات مکانیکی (صوت) و برعکس تبدیل کند. این سنسورها به قدری کوچک‌اند که ضخامتشان گاهی به اندازه یک تار موی انسان است و هزاران عدد از آن‌ها در قالب یک آرایه متراکم زیر نمایشگر چیده شده‌اند.[1][2]

وقتی انگشت خود را روی صفحه می‌گذارید، این مبدل‌ها یک پالس صوتی با فرکانس بسیار بالا (خارج از محدوده شنوایی انسان) به سمت بالا شلیک می‌کنند. اثر انگشت شما صاف نیست؛ بلکه از مجموعه‌ای از پستی‌ها (دره‌ها) و بلندی‌ها (برجستگی‌ها) تشکیل شده است. بلندی‌های پوست مستقیماً با شیشه در تماس هستند، اما در قسمت پستی‌ها، یک لایه میکروسکوپی از هوا بین پوست و شیشه وجود دارد.[2]

امواج صوتی هنگام عبور از محیط‌های مختلف، رفتارهای متفاوتی نشان می‌دهند. وقتی موج صوتی به برجستگی‌های پوست (بافت جامد) برخورد می‌کند، بخشی از آن جذب پوست می‌شود. اما وقتی به دره‌ها (هوا) می‌رسد، به دلیل تفاوت در امپدانس صوتی، به شدت بازتاب پیدا می‌کند. سنسور با اندازه‌گیری دقیقِ زمانِ رفت و برگشتِ این پژواک‌ها در حد میکروثانیه، می‌تواند یک نقشه توپوگرافی سه‌بعدی و بسیار دقیق از اثر انگشت شما رسم کند.[1][2]

اما چرا دست خیس برای این سنسورها مشکلی ایجاد نمی‌کند؟ پاسخ در فیزیک صوت نهفته است. برخلاف نور که توسط آب منحرف و شکسته می‌شود، امواج صوتی به راحتی و با کمترین افت از درون محیط‌های مایع عبور می‌کنند. در واقع، آب در اینجا مانند یک رسانای صوتی عمل می‌کند و به سنسور اجازه می‌دهد بدون توجه به رطوبت یا چربی روی سطح، مستقیماً بافت پوست را اسکن کند.

مزیت بزرگ دیگر سنسورهای اولتراسونیک، امنیت فوق‌العاده آن‌هاست. در فیلم‌های جاسوسی می‌بینیم که هکرها با برداشتن اثر انگشت از روی یک لیوان و ساختن یک قالب ژلاتینی، سیستم‌های امنیتی را فریب می‌دهند. این ترفند ممکن است دوربین‌های نوری را گول بزند، اما در برابر اولتراسونیک کاملاً بی‌اثر است. امواج فراصوت نه تنها سطح پوست، بلکه لایه خارجی (اپیدرم) را شکافته و به لایه داخلی (درم) نفوذ می‌کنند.[1]

در لایه درم، سنسور می‌تواند جریان خون و حتی منافذ ریز عرق را تشخیص دهد. این ویژگی که در ادبیات امنیتی به آن «تشخیص حیات» (Liveness Detection) می‌گویند، به سیستم ثابت می‌کند که اثر انگشت متعلق به یک بافت زنده انسانی است، نه یک عکس چاپ‌شده با وضوح بالا یا یک قالب پلاستیکی بی‌جان که توسط سارقان ساخته شده است.[1][3]

با وجود تمام این شگفتی‌ها که در تبلیغات شرکت‌ها می‌بینیم، فناوری اولتراسونیک یک دشمن پنهان دارد: محافظ‌های صفحه نمایش (گلس) بی‌کیفیت. اگر بین گلس و نمایشگر اصلی گوشی حتی یک حباب هوای میکروسکوپی وجود داشته باشد، یا چسب محافظ بیش از حد ضخیم باشد، امواج صوتی در آن لایه گیر می‌افتند یا بازتاب اشتباهی پیدا می‌کنند. به همین دلیل است که گوشی‌های مجهز به این سنسورها، تنها با محافظ‌های خاصی کار می‌کنند.[3]

در نهایت، دلیل اینکه هنوز تمام گوشی‌های بازار به این فناوری مجهز نشده‌اند، هزینه بالای تولید و پیچیدگی‌های ادغام آن با پنل‌های نمایشگر است. تولید یک سنسور اولتراسونیک بسیار گران‌تر از یک دوربین نوری ساده تمام می‌شود. با این حال، با پیشرفت تکنولوژی و کاهش هزینه‌ها، انتظار می‌رود که این پژواک‌های نامرئی به زودی به استاندارد اصلی امنیت در تمام دستگاه‌های هوشمند تبدیل شوند.[2]