Sensori intelligenti e integrati per dispositivi indossabili

Nel mondo dell'elettronica, la crescita è in genere trainata dall'introduzione di nuove categorie di prodotti. Ciò è accaduto in passato con il personal computer negli anni ottanta, con i dispositivi di rete negli anni novanta e più di recente con gli smartphone. Ora i "dispositivi elettronici indossabili" rappresentano il settore con le opportunità di crescita più elevate. Un mercato spinto dal successo di prodotti pionieristici come i Google Glass, un prototipo di computer indossabile, oppure il rilevatore di attività Fitbit. In realtà il termine "dispositivi elettronici indossabili" abbraccia una vasta gamma di tipologie di dispositivi, inclusi i prodotti di infotainment e per il fitness già disponibili, ma anche i sistemi che sono ancora allo stato concettuale o prototipale, come gli array di bio-sensori, l'abbigliamento elettronico, i cerotti elettronici che possono essere fissati alla pelle dell'utilizzatore, fino ad arrivare ai tatuaggi elettronici. Come in ogni segmento di mercato emergente, le prospettive per i dispositivi elettronici indossabili al momento presentano diversi fattori di incertezza. Né gli sviluppatori, né i consumatori sono in grado di prevedere ragionevolmente quali prodotti potrebbero sfondare e quali tradursi in un flop; inoltre, le linee di separazione tra le distinte categorie di prodotti, come i fitness monitor e i dispositivi medici, potrebbero iniziare ad attenuarsi. Ci sono tuttavia delle caratteristiche che accomunano tutti i prodotti elettronici indossabili già sul mercato e le architetture in fase di sviluppo:
- i dispositivi indossabili possono essere tenuti in contatto diretto con il corpo dell'utilizzatore. Ciò garantisce un notevole potenziale per il benessere, il fitness e il controllo della salute della persona;
- i dispositivi indossabili possono facilmente essere collegati con un computer host, spesso uno smartphone o un tablet, che fornisce una piattaforma per l'esecuzione di applicazioni software e mette a disposizione un display più ampio. Difatti l'ampia diffusione dei dispositivi basati sui sistemi operativi iOS di Apple o Android di Google, che offrono l'accesso alle applicazioni di terzi, è stato un punto di svolta per lo sviluppo di un intero settore dell'economia, da cui il mercato dei prodotti indossabili ha tratto grande beneficio. Bisogna però tener presente che i fattori che rendono un dispositivo indossabile effettivamente utile al consumatore - le dimensioni ridotte, il posizionamento in prossimità o sulla pelle dell'utilizzatore e l'obbligo di compatibilità con iOS o Android - sono anche i fattori che complicano la progettazione dei relativi circuiti elettronici. In molti architetture di prodotti indossabili, la funzione principale del dispositivo è il rilevamento dei dati fisiologici o dei dati dell'ambiente in cui si trova l'utente: ad esempio, la frequenza cardiaca o la pressione sanguigna dell'utente, oppure la qualità dell'aria nelle vicinanze dell'utente. Produrre sensori miniaturizzati a basso consumo capaci di interfacciarsi con iOS o Android e di restituire dati affidabili e precisi in condizioni reali è, infatti, estremamente complesso. Per certi versi, ciò richiede alle case costruttrici uno sforzo notevole nell'espandere la propria capacità produttiva. La questione di fondo è la seguente: cosa possono offrire le case costruttrici di chip per sensori ai produttori e ai progettisti di dispositivi indossabili?

Centinaia di tipologie di sensori indossabili
I primi dispositivi elettronici indossabili si avvalevano di tecnologie di rilevamento collaudate per misurare alcuni fenomeni fisiologici e ambientali. Prodotti come FuelBand di Nike e UP di Jawbone, ad esempio, sono in grado di misurare parametri biologici come la frequenza cardiaca e i fenomeni ambientali, come il numero di passi o il dislivello percorso. I sensori utilizzati in questi dispositivi - come sensori di luce, accelerometri e barometri - sono stati già ampiamente utilizzati nei telefoni cellulari e nei tablet prima che i dispositivi elettronici indossabili emergessero come un segmento di mercato distinto. Il potenziale dei dispositivi indossabili programmati per misurare fenomeni fisiologici e ambientali va però ben oltre queste applicazioni. Nei paesi industrializzati, dove le popolazioni stanno invecchiando e le patologie inabilitanti come il diabete e le malattie cardiache stanno raggiungendo un'incidenza sempre maggiore, i medici possono migliorare notevolmente l'efficacia dei trattamenti se questi sono supportati da un monitoraggio costante, 24 ore su 24, di parametri come la glicemia, il livello di ossigeno nel sangue e la frequenza cardiaca. L'interfaccia di un dispositivo indossabile verso uno smartphone consente all'utente di mantenere un collegamento virtuale costante con un medico o un ospedale, nonché di beneficiare di un'app che segnala immediatamente ai medici il peggioramento delle condizioni di salute. I sensori bio-medici possono essere utili anche per gli utenti in buona salute: ad esempio, un cerotto con sensore di luce UV integrato, posto sulla pelle o integrato in un dispositivo indossabile, potrebbe attivare un'app per smartphone che avvertirà l'utente dell'eccessiva esposizione alla luce solare. I dispositivi indossabili possono anche eseguire misurazioni nell'ambiente intorno all'utente. Ad esempio, un sensore ottico che misura il livello di particolato nell'aria potrebbe comunicare con lo smartphone dell'utente e generare un avvertimento quando la qualità dell'aria scende al di sotto di una certa soglia. Altri tipi di sensori possono essere utilizzati per attivare o migliorare il funzionamento di un dispositivo indossabile. I sensori di luce ambientale, ad esempio, possono consentire la regolazione automatica del display di un orologio intelligente in risposta ai cambiamenti di luminosità e colore della luce a cui l'utente è esposto. I sensori passivi o attivi a luce infrarossa possono essere utilizzati per i comandi gestuali nei dispositivi troppo piccoli per essere controllati da un touchscreen o da una tastiera. Abbiamo citato solo alcune tra le numerose tipologie di sensori che possono essere impiegate nei dispositivi indossabili, e ognuna rappresenta un'applicazione a se stante. I produttori di dispositivi di consumo, tuttavia, stanno studiando soluzioni per combinare gli ingressi provenienti dai sensori. Samsung, ad esempio, ha proposto la tecnologia Sami (Samsung architecture for multimodal interactions), un'interfaccia aperta per sensori che permette alle applicazioni di combinare gli ingressi da più sensori. Ciò permette, ad esempio, di dare un quadro più completo e dettagliato dello stato di salute di un utente rispetto alle potenzialità di un singolo sensore.

Vincoli che limitano l'operatività dei sensori indossabili
È fuor di dubbio che il posizionamento di sensori collegati a un computer portatile in prossimità del corpo o direttamente sulla persona possa - in teoria - offrire funzioni utili o divertenti ai consumatori. In tutti i casi che abbiamo menzionato, la tecnologia di base è già disponibile: oggi in un laboratorio è possibile misurare parametri come la frequenza cardiaca, i livelli di ossigeno nel sangue, la qualità dell'aria o la prossimità utilizzando una combinazione di sensori di luce e Led. La sfida consiste nell'implementare efficacemente queste funzioni in condizioni reali. Le difficoltà si possono dividere essenzialmente in tre categorie:
Difficoltà ambientali - I dispositivi indossabili sono utilizzati da persone in carne e ossa. Ciò significa che sono posti sulla pelle o in prossimità della stessa: il risultato inevitabile sarà il riscaldamento o l'accumulo di sporcizia. Potrebbero essere contaminati da sudore o grasso. L'utente può inavvertitamente compromettere le loro prestazioni, ad esempio sottoponendoli a urti o vibrazioni eccessive, immergendoli in acqua o usandoli in presenza di un eccessivo rumore elettromagnetico.
Difficoltà nell'alimentazione - Per essere indossabile, un dispositivo deve essere estremamente piccolo e leggero. Di conseguenza, i dispositivi indossabili possono ospitare solo una piccola batteria per l'alimentazione. La ricarica o la sostituzione frequente delle batterie può inficiare la percezione dell'utente circa l'effettivo valore del prodotto. Pertanto, l'intero circuito elettronico deve consumare meno energia possibile per il funzionamento e supportare modalità deep power-down quando non è in funzione.
Difficoltà qualitative - I rilevatori di attività di prima generazione per il fitness e il benessere presentavano, in genere, livelli di accuratezza non eccezionali nella misurazione dei parametri come la frequenza cardiaca e il movimento. I consumatori sono stati generalmente soddisfatti fino a questo momento, grazie al livello di innovazione offerto da questi dispositivi all'avanguardia. Nella prospettiva di un utilizzo più professionale dei sensori fisiologici indossabili, si dovranno raggiungere standard molto più elevati di precisione e affidabilità. Ad esempio, i sensori indossabili per il battito cardiaco o l'ossigeno nel sangue in futuro potranno essere implementati come presidi medici e saranno oggetto di una rigorosa valutazione negli Stati Uniti da parte della Food and Drug Administration. Il raggiungimento di livelli elevati di precisione e affidabilità in un ambiente compromesso da grandi quantità di rumore sarà una sfida molto complessa per le case costruttrici di sensori.

Trasformare i dati in uscita dal sensore in un'applicazione utile

Ne consegue che la sfida nella produzione dei dispositivi di rilevamento indossabili consiste nel prendere una tecnica già collaudata in laboratorio e implementarla in modo affidabile in un dispositivo di piccole dimensioni con tutta probabilità soggetto a sporco e surriscaldamento, nonché capace di generare ulteriore rumore elettrico. Ciò sta richiedendo un grosso sforzo ai produttori di circuiti integrati analogici, in termini di: maggiore integrazione e miniaturizzazione; minor consumo energetico; maggiore sensibilità; spettro più ampio delle possibili applicazioni. Un esempio ci aiuterà a illustrare il caso: il rilevamento gestuale è una funzione che finirà per essere considerata come la norma nei dispositivi indossabili, dato che elimina la necessità di integrare dei pulsanti sul prodotto. Un circuito di controllo gestuale potrebbe includere due o più Led e un fotodiodo, entrambi a IR. I gesti sono rilevati attraverso l'analisi della luce IR riflessa verso il fotodiodo quando la mano dell'utente passa sopra i Led. I fotodiodi e i Led a IR sono componenti già molto diffusi e immediatamente disponibili presso diversi costruttori. Qual è dunque la difficoltà nell'implementare un sensore gestuale indossabile? Le difficoltà sorgono nelle tre aree descritte in precedenza. L'applicazione presenta notevoli difficoltà sul piano ambientale, in quanto il sensore di luce IR è soggetto a enormi quantità di rumore. In condizioni normali, un dispositivo indossabile sarà esposto alla luce ambientale (come la luce del sole), che potrebbe includere una data luminanza IR. Inoltre, l'apertura del sensore sulla parte frontale del dispositivo può essere ostruita da contaminanti quali sudore, grasso della pelle dell'utilizzatore, polvere o sporcizia. Al fine di differenziare in modo affidabile la luce IR attribuibile alla luce ambiente (che rappresenta il rumore di fondo in questa applicazione) dalla luce riflessa dai Led, il fotosensore deve essere straordinariamente sensibile e ciò richiede l’utilizzo delle tecnologie a semiconduttore analogiche più avanzate. Allo stesso tempo, i dispositivi indossabili sono minuscoli e leggeri. Una progettazione basata sui semiconduttori a elevata integrazione consente di ottenere la miniaturizzazione necessaria per soddisfare i severi requisiti in termini di ingombro richiesti dall'indossabilità. Il fotodiodo, il front end analogico e il core del processore possono essere integrati in un unico die, che offre un sistema di controllo gestuale completo su un singolo chip. Un sistema del genere richiede di norma un funzionamento costante dei Led per rilevare i gesti. Le modalità intelligenti di risparmio energetico possono essere attivate per implementare lo spegnimento automatico e le procedure di riattivazione che non richiedono il funzionamento dei Led a IR. Un sensore IR ad alta sensibilità, piccolo, integrato e a basso consumo può essere in grado di acquisire e digitalizzare misurazioni accurate della luce IR riflessa. Non bisogna però dimenticare che il controllo gestuale richiede un software applicativo per interpretare le misurazioni non ottimizzate della luce IR. Sorgono così delle considerazioni circa la grande quantità di proprietà intellettuale che è la colonna portante di un campo come l'analisi delle misure della luce IR. Questa analisi permette al sistema di: calcolare la velocità e la direzione del movimento della mano dell'utente; misurare la distanza tra la mano e il dispositivo; distinguere tra luce ambiente e luce riflessa dai Led a IR; interpretare i diversi tipi di movimenti come gesti distinti. In altre parole, l'implementazione di un sistema di controllo gestuale in un dispositivo indossabile non può essere ottenuta semplicemente assemblando un Led e un fotodiodo a IR sul circuito miniaturizzato del dispositivo. Il sistema richiede una combinazione di hardware e software applicativo. Così ogni elemento del sistema esercita un'influenza su tutti gli altri: ad esempio, la sensibilità del fotodiodo influisce sulle specifiche dei Led e sul funzionamento del software che interpreta i dati sulla luce in ingresso. La qualità del sistema - cioè la sua capacità di riconoscere i gesti in modo rapido e prevedibile - dipende tanto dal software applicativo, quanto dall'hardware del sensore. Inoltre i produttori di dispositivi indossabili tendono in misura sempre maggiore a fornire le specifiche sui sistemi di sensori, piuttosto che sulle singole componenti degli stessi. Per competere in questo mercato, i produttori di circuiti integrati analogici devono fornire gli algoritmi application-ready e il software applicativo necessari per supportare l'hardware del sensore. Questo vale sia per il controllo gestuale, sia per altre applicazioni indossabili. Per fare un altro esempio legato alla pulsossimetria, un sensore di luce misura i livelli di ossigeno nel sangue rilevando la luce dai Led dopo che questa colpisce i vasi sanguigni dell'utente. Anche in questo caso il software interpreta i dati di luce grezzi, convertendoli in misurazioni accurate dei livelli di ossigeno nel sangue, anche quando il sensore è contaminato da grasso, sporco e sudore o è soggetto alla luce ambientale. Grazie alla combinazione di software e hardware analogico avanzato, il produttore di sensori è in grado di offrire un sistema ottimizzato, permettendo ai produttori di dispositivi di risparmiare tempo e sforzi. Ciò garantirà loro di ottenere le prestazioni elevate e l'affidabilità nei dispositivi elettronici indossabili di nuova generazione, che saranno considerate caratteristiche irrinunciabili dal punto di vista dei consumatori.

Nuove soluzioni dai produttori di sensori
Le aziende come ams hanno individuato le nuove esigenze dei mercati in crescita come quello dei dispositivi elettronici indossabili, attivandosi immediatamente per essere in grado di fornire soluzioni complete per i sensori, piuttosto che i singoli chip per il rilevamento. Ciò ha comportato notevoli investimenti nel reclutamento di programmatori e ingegneri per lo sviluppo delle applicazioni. In campi come il rilevamento bio-medico e i sistemi di interfaccia utente, ams è in grado di offrire ai produttori di dispositivi la sua esperienza, maturata nel corso degli anni attraverso l'uso delle sue applicazioni e dei suoi brevetti. L'ambiente notevolmente vincolante in cui i sensori indossabili devono operare - piccole dimensioni, surriscaldamento, sporcizia e rumore - richiede un collaudo ultra-accurato dei sistemi di sensori in condizioni limite, per ottenere un prodotto finale che risulti impeccabile agli occhi dell'utente. Con l'offerta di soluzioni complete che garantiscono prestazioni ineccepibili in applicazioni come il controllo gestuale in condizioni reali, i costruttori di sensori devono garantire il massimo valore possibile ai produttori di dispositivi elettronici indossabili, allo scopo di contribuire al pieno sviluppo di una nuova generazione di prodotti che possano catturare l'interesse dei consumatori in un mercato sempre più vasto.

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