Come funzionano gli orologi intelligenti e i loro sensori?

Ma solo poche persone si chiedono come funzionano gli orologi intelligenti, o per meglio dire, come funzionano i sensori degli orologi intelligenti. Non l'ho mai approfondito personalmente. Sapevo quali sensori sono solitamente integrati nell'#141 e conoscevo approssimativamente la teoria di come funzionano, ma non sono mai riuscito a trovare la motivazione per andare fino in fondo.

L'idea per l'articolo è venuta quando ero sull'aereo e mi chiedevo perché l'orologio sull'aereo non mostrasse l'altitudine corretta. Un collega giornalista mi ha spiegato che si regola da sola a seconda della pressione. E poiché la pressione nella cabina è adattata per rimanere a più migliaia di metri di altezza, era del tutto comprensibile per me il motivo per cui il mio smartwatch mi mostrava che ero all'altezza di una montagna.

Da lì ho iniziato a chiedermi come l’orologio misuri la frequenza cardiaca, i passi e la saturazione di ossigeno nel sangue, lo stress e tutti gli altri dati. Dato che i dispositivi indossabili sono diventati sempre più  un'industria da miliardi di dollari, e con lo sviluppo e l'utilizzo destinati ad accelerare, ha senso capire cosa succede dietro le quinte della tecnologia che ci accompagna dalla mattina alla sera - e spesso fino a tarda notte.

Quali sensori sono integrati negli orologi intelligenti?

Gli smartwatch sono dispositivi estremamente versatili, per certi versi ancor più degli smartphone. Possiamo utilizzarli per monitorare notifiche, messaggi, chiamate, monitorare condizioni fisiche e progressi, e anche per giocare, anche se non è esattamente un'esperienza brillante. Ciò che più ci interessa è l’analisi del corpo e le prestazioni dello smartwatch durante l’attività fisica e anche durante il riposo (sonno). Tutto ciò è reso possibile dai sensori.

• Il sensore di accelerazione misura l'accelerazione o la forza in tre dimensioni: x, y e z. Può rilevare l'accelerazione statica (gravitazionale) e dinamica (movimento o vibrazione).
• A differenza del sensore di accelerazione, il giroscopio misura esclusivamente accelerazioni angolari.
• Il sensore della frequenza cardiaca si occupa comprensibilmente della misurazione della frequenza cardiaca durante l'esercizio e a riposo.
• Il GPS è un sensore che determina la posizione dell'utente utilizzando i segnali satellitari.
• Un barometro o un sensore della pressione dell'aria misura la pressione dell'aria, che può essere utilizzata per determinare l'altitudine.

Questa è una rappresentazione approssimativa di quali sensori sono solitamente integrati negli orologi intelligenti. A seconda dell'orologio, può includere anche un ECG, un sensore di profondità, un sensore di temperatura, un magnetometro e simili. Diamo uno sguardo più da vicino a come funziona ogni singolo sensore.

Come fanno gli orologi intelligenti a contare i passi? Come funzionano l'accelerometro e il giroscopio?

10.000 passi è quel numero magico stampato su quasi tutti gli smartwatch o simili dispositivi indossabili per il fitness. È apparso in Giappone nel lontano 1964 e da allora è considerato il numero di fatto per raggiungere una salute ottimale. Se questo numero sia davvero il limite magico, questa volta non lo approfondiremo. Alcuni esperti concordano, mentre altri sostengono che anche un numero minore di passaggi (circa 7.000) porta a effetti simili sulla salute.

Ma come fa uno smartwatch a contare i passi? Il sensore di accelerazione e il giroscopio aiutano in questo.

L'accelerometro acquisisce vari dati, come velocità e accelerazione, che possono poi essere utilizzati per vari scopi, come il calcolo della distanza percorsa (utilizzando il GPS), andatura media, lunghezza del passo e simili. Il sensore di accelerazione può essere utilizzato anche per monitorare l'andamento del sonno, in base al quale è possibile identificare gli attacchi epilettici. Sebbene la maggior parte degli smartwatch non disponga di questa funzionalità, tali sensori vengono ancora utilizzati in alcuni dispositivi medici.

La più grande limitazione dei sensori di accelerazione è il limite entro il quale possono misurare con precisione l'accelerazione. L'orologio potrebbe anche avere problemi nel distinguere determinate attività o gesti, motivo per cui potrebbero esserci delle imprecisioni nel conteggio dei passi. Ad esempio, se agiti le mani, alcuni sensori lo rileveranno come un passo.

Esistono due tipi di sensori:

• Piezoelettrici, che utilizzano piccoli cristalli per eseguire misurazioni. Quando questi cristalli percepiscono una forza, cambiano e creano un segnale elettrico che ti dice quanto fosse forte.
• I sensori capacitivi funzionano secondo il principio delle variazioni della capacità elettrica. Hanno due microstrutture che si muovono l'una verso l'altra durante l'accelerazione. Ciò modifica la capacità elettrica tra di loro e il sensore rileva questo cambiamento.

A causa di queste caratteristiche e delle loro dimensioni ridotte, oggi i sensori sono quasi sempre presenti negli orologi intelligenti e persino nei telefoni. In breve, aiutano gli smartwatch e altri dispositivi a capire come si muove l'utente (correndo, camminando, riposando, saltando…).

In che modo gli orologi intelligenti misurano la frequenza cardiaca? Come funziona il sensore ottico di frequenza cardiaca #141?

Finalmente riceverai una spiegazione sul perché la luce verde sotto l'orologio lampeggia sempre. Gli orologi intelligenti di solito hanno un sensore ottico sul lato inferiore, che cerca di misurare la frequenza cardiaca dell'utente con l'aiuto della luce verde. Perché il semaforo verde? La spettroscopia è una disciplina che si occupa dell'analisi delle emissioni luminose e di altre radiazioni a contatto con una determinata sostanza. Tralasciando la secca spiegazione, la cosa importante è che la spettroscopia ci dice che il sangue assorbe la luce verde più facilmente perché il rosso e il verde si trovano sul lato opposto dello spettro dei colori.

Il sensore ottico sul retro dello smartwatch rileva la luce riflessa, in modo molto simile a uno spettrometro. La differenza principale è che negli orologi la sorgente luminosa e il rilevatore si trovano sullo stesso lato, mentre negli spettrometri sono uno di fronte all'altro. Lo svantaggio di questo layout è che con gli orologi la misurazione della frequenza cardiaca può essere meno precisa.

La misurazione della frequenza cardiaca utilizzando la luce è chiamata fotopletismografia. Il dispositivo misura la variazione della concentrazione dei globuli rossi durante l'espansione e la contrazione dei vasi sanguigni – i vasi sanguigni dilatati assorbono di più luce verde e vasi sanguigni accorciati meno luce verde. Il rilevatore misura la luce riflessa e l'algoritmo del software converte i cambiamenti nell'intensità della luce nella velocità del polso.

Oltre ai sensori, gli orologi intelligenti più recenti dispongono anche di un software avanzato che consente loro di rilevare potenziali problemi, come la fibrillazione atriale (battito cardiaco irregolare), in modo abbastanza accurato e tempestivo. Naturalmente ci sono delle deviazioni, poiché le misurazioni possono essere influenzate da diversi fattori. fattori. Diverse pigmentazioni della pelle possono portare a piccole deviazioni.

Come gli orologi intelligenti misurano la saturazione di ossigeno nel sangue (SpO₂)?

SpO₂ o la saturazione di ossigeno è la percentuale di emoglobina nel sangue legata all'ossigeno. In altre parole, questa è una misurazione che indica la quantità di ossigeno trasportata dal sangue. Questa è una delle misurazioni più recenti trovate su orologi intelligenti e altri dispositivi indossabili. È anche molto efficiente dal punto di vista energetico e non influisce in modo significativo sull'autonomia delle batterie di tali dispositivi.

Ha preso vita durante la pandemia di coronavirus, quando è stato in grado di rivelare se il livello di ossigeno era sceso al di sotto del livello raccomandato (95-100 % è ottimale; sotto 70 % è pericoloso per la vita). La misurazione più accurata di SpO₂ avviene mediante prelievo di sangue, ma gli operatori sanitari utilizzano più spesso la pulsossimetria. Sul dito o sul lobo dell'orecchio viene posizionato un dispositivo ottico che dirige la luce attraverso la pelle verso il rilevatore, in modo simile alla misurazione della frequenza cardiaca.

Una luce verde viene utilizzata per misurare il polso, mentre SpO₂ e rosso e infrarosso. L'emoglobina ossigenata (satura di ossigeno) assorbe la luce IR e trasmette la luce rossa, mentre l'emoglobina deossigenata trasmette la luce IR e assorbe la luce rossa. Gli orologi intelligenti misurano la SpO₂ con pulsossimetria con calcolo della differenza tra assorbimento IR e luce rossa. In questo modo, ad esempio, puoi scoprire se soffri di apnea notturna.

Come funziona l'ECG su uno smartwatch?

Uno smartwatch con funzione ECG (Apple Watch Ultra, Huawei Watch GT 4 …) utilizza un sensore a elettrodo singolo per misurare l'attività elettrica del cuore, situato sul lato inferiore dell'orologio. Questo tipo di ECG è in grado di rilevare un ritmo cardiaco irregolare, ma non può rilevare, ad esempio, l'ipertrofia ventricolare sinistra, che solo un ECG a 12 derivazioni può rilevare. Sebbene l'ECG su uno smartwatch non possa essere accurato e informativo come un ECG a 12 canali, è comunque comodo per l'accesso immediato alle informazioni sulla salute del cuore.

Come funziona un magnetometro?

Un magnetometro è un dispositivo che misura le forze magnetiche. Viene utilizzato insieme ad accelerometri e giroscopi in un dispositivo chiamato unità di misura inerziale (IMU). Questa combinazione di sensori aiuta il dispositivo a capire come si muove e come è orientato nello spazio.

Un magnetometro misura l'effetto del campo magnetico terrestre sul dispositivo. Questo è simile a ciò che fa una bussola. Qui viene utilizzato il principio dell'effetto Hall, secondo il quale, se un conduttore percorso da corrente si trova in un campo magnetico, sul conduttore viene creata una tensione perpendicolare alla corrente e al campo magnetico. Gli elettrodi nel conduttore collassano a causa del campo magnetico (la loro densità cambia), provocando una caduta di tensione. Se le forze applicate cambiano, cambia proporzionalmente anche la lettura della tensione, che mostra il valore e la direzione del campo magnetico.

Utilizzando tutti e tre i sensori, gli smartwatch possono tracciare e interpretare meglio i movimenti di chi lo indossa. Il magnetometro aggiunge un ulteriore livello di informazioni sulla direzione utili per un rilevamento del movimento più accurato.

In che modo gli smartwatch utilizzano il GPS?

Il GPS è uno degli elementi più importanti di uno smartwatch (e di un telefono). Logično viene utilizzato per la navigazione. I dati vengono inviati al satellite, dove vengono misurate la posizione e l'ora esatte. Questo funge quindi da trasmettitore e ricevitore, nel qual caso i dati vengono restituiti al sensore dello smartwatch e la posizione viene registrata. Così, gli orologi intelligenti, ad esempio, misurano la distanza percorsa (con l'aiuto di un sensore di accelerazione e di un giroscopio). Nel calcio, hai già notato che nelle analisi viene spesso utilizzata una mappa, dove un certo giocatore è sopravvissuto di più. časa. Questo grazie al GPS, che può mettere a dura prova la batteria del dispositivo indossabile.

Come funzionano i sensori di pressione?

I sensori di pressione misurano la potenza che agiscono su qualcosa, come un dispositivo o un'attrezzatura sportiva. C'è di piùč di diversi sensori di pressione, che di solito funzionano sulla base di estensimetri o estensimetri.

Negli orologi intelligenti troviamo sensori di pressione barometrica (barometri) che misurano l'aria atmosferica nell'ambiente, consentendo loro di determinare l'altitudine. Possono anche aiutare a prevedere i cambiamenti meteorologici, ma non è questa la loro funzione negli smartwatch.

Esistono anche sensori di pressione che utilizzano questi ponti di Wheatstone, che sono un tipo speciale di circuito elettrico per rilevare i cambiamenti di resistenza. Vengono utilizzati nelle attrezzature sportive per misurare la forza di contatto sulla palla o per monitorare il movimento dei giocatori. Possono anche essere utilizzati per analizzare l’andatura, ad esempio per misurare la forza esercitata su diverse parti del piede, il che può aiutare a migliorare l’agilità o ridurre il rischio di lesioni.

Come misurano lo stress gli smartwatch?

Oggi, la maggior parte degli orologi intelligenti, come la serie Samsung Galaxy Watch, utilizza la tecnologia della variabilità della frequenza cardiaca (HRV) per valutare lo stress. Quest'ultimo misura l'intervallo tra i battiti cardiaci ed è importante quanto il numero di battiti cardiaci al minuto nella valutazione dello stress fisiologico. L’HRV controlla il nostro sistema nervoso autonomo, la parte del nostro sistema nervoso che regola automaticamente la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna e la frequenza respiratoria in risposta a fattori di stress esterni. Se il livello della HRV è basso (se ci sono differenze tra i battiti cardiaci), ciò può essere indice che il nostro sistema vitale è in uno stato di maggiore stress. Maggiore è l'HRV (più vari sono gli intervalli tra i battiti), maggiore è la probabilità che siamo rilassati.

Alcuni smartwatch (Fitbit Sense, Pixel Watch 2 …) non utilizzano il metodo HRV, ma un sensore EDA dedicato, cioè un sensore per l'attività elettrodermica, che analizza i modelli di cambiamenti nella conduttività elettrica della pelle causati dalla sudorazione. Tiene conto anche della frequenza cardiaca, della frequenza cardiaca e della temperatura cutanea. Con l'aiuto di algoritmi e del sensore EDA, gli orologi intelligenti cercano cambiamenti improvvisi in questi indicatori, calcolano i livelli di stress e ti avvisano.

Questi sono i principali sensori che incontrerai su uno smartwatch o altro dispositivo indossabile. Ora sai come funzionano e potrai capire meglio quando i dati sono accurati e perché ci sono delle deviazioni. Se desideri approfondire il funzionamento dei vari sensori, di seguito ho elencato alcuni collegamenti a ricerche e articoli che esplorano il funzionamento di sensori e dispositivi indossabili.