Sistemi intelligenti indossabili

ELETTRONICA INDOSSABILE –

Lo sviluppo di sistemi indossabili intelligenti rappresenta una rivoluzione che interessa i campi applicativi più diversi. Grande interesse è rivolto all’ambito biomedicale, dove questi sistemi possono essere impiegati per il monitoraggio dei parametri vitali.

La nuova frontiera dei sistemi embedded sono i sistemi intelligenti indossabili o wearable intelligent systems, sistemi cioè che sono di dimensioni tali da non rappresentare un ingombro per la persona, che interagiscono con questa in maniera naturale e che integrano a livello di corpo le funzionalità che attualmente sono a livello desktop o palmtop. L’era del wearable computing sta diventando una realtà! La tecnologia dei sistemi indossabili si sta sviluppando molto rapidamente grazie ai progressi tecnologici conseguiti nel settore del computing indossabile, della sensoristica, della comunicazione uomo-macchina e del system-on-chip. Quella dei sensori è indubbiamente una tecnologia abilitante molto importante per lo sviluppo dei sistemi indossabili, in quanto consente di catturare i dati di natura fisica e renderli disponibili al sistema perché possa interagire in maniera naturale con la persona. L’integrazione su singolo chip in modalità system-on-chip della sensoristica necessaria a interagire con la persona implica tecnologie microelettromeccaniche allo stato dell’arte, come ad esempio quella dei Mems. Queste tecnologie abilitano le applicazioni indossabili dei sistemi ottimizzando in maniera estrema la problematica del consumo di energia e quella della durata dell’applicazione dal punto di vista energetico. Le tecnologie emergenti di derivazione dell’alimentazione dei dispositivi dall’ambiente in cui operano sono un’altra parte importante della maturazione e dello sviluppo dei sistemi intelligenti indossabili, cui obiettivo fondamentale è la connettività e la comunicazione non invasiva e naturale con la persona che indossa il sistema.

Dal computer indossabile
al sistema intelligente indossabile

Un computer indossabile è un computer di piccole dimensioni, pensato per essere indossato durante il suo utilizzo. Ciò implica un’integrazione con il corpo e con i vestiti della persona che lo indossa, come per altri accessori che una persona indossa, come l’orologio, gli occhiali, ecc. Il wearable computing si sta rivelando una realtà sempre più apprezzabile grazie agli enormi progressi che la tecnologia dell’integrazione di sistema su singolo chip ha conseguito in questi ultimi anni. La convergenza di tecnologie e metodologie innovative allo stato dell’arte come il softcomputing con metodologie e tecnologie emergenti come la natural user interface, l’affective computing, l’emotional computing, il physiological computing, ed altri paradigmi computazionali che si ispirano al modello psico/fisio/biologico degli esseri umani, sta portando a una nuova generazione di sistemi indossabili o più esattamente integrabili con il corpo umano e le sue attività naturali. Una modalità di integrazione con il corpo umano in maniera non invasiva è quella di estendere la funzionalità di oggetti che fanno parte della “vestibilità” della persona. L’orologio, per esempio, è uno degli oggetti integranti della persona. Wimm One di Wimm Labs è un esempio di integrazione a livello di orologio di un computer dotato di sistema operativo, di connettività wireless, di sensori e di interfaccia utente. Il wearable computing non è fantascienza ma realtà, in quanto la microelettronica ha creato tutti i presupposti tecnologici necessari a trasferire su dispositivi di dimensioni indossabili le funzionalità di cui una persona necessita, consentendo a questa di interagire in maniera naturale e trasparente. Tecnologie abilitanti a questo proposito sono i Mems, in quanto una delle problematiche di basso livello sistemistico per la realizzazione dei sistemi indossabili riguarda l’interfaccia verso la persona e l’interfaccia verso il mondo fisico esterno. I dispositivi Mems, proprio per la loro scala di integrazione di natura micrometrica, consentono ai system-on-chip di essere direttamente interfacciabili con il corpo umano senza risultare invasivi e soprattutto “fastidiosi”. I sistemi indossabili intelligenti si caratterizzano per l’integrazione end-to-end di sensori e attuatori integrati in oggetti indossabili, dalla connettività verso unità di elaborazione e dalla capacità di tali unità di elaborazione di classificare informazioni ed eventi in modo da attivare appropriate azioni di stimolo sulla persona e sull’ambiente circostante. Il livello sensoriale è l’elemento chiave della funzionalità ed applicabilità dei sistemi intelligenti indossabili, in quanto capaci di misurare direttamente il comportamento e lo stato del corpo e la sua interazione con l’ambiente (posizione del corpo, moto, postura, gestualità, vitalità, ecc.), mentre la funzionalità degli attuatori consente di mettere in campo azioni di modifica, in quanto interagisce con la persona per proteggerlo da rischi (per esempio addormentamento alla guida dell’automobile) oppure da situazioni interne (per esempio un incombente infarto). La prima generazione di sistemi intelligenti indossabili sta riguardando soprattutto i sistemi di natura medicale o paramedicale per la prevenzione di rischi, ma anche applicazioni che tendono a migliorare le prestazioni individuali o a offrire nuove soluzioni per l’intrattenimento. Un esempio interessante di sistema indossabile di natura medicale è una maglietta, alla cui realizzazione ha contributo Maxim Integrated, che effettua il monitoraggio dei parametri vitali consentendo al personale medico di effettuare in maniera economica frequenti controlli della forma fisica di una persona per garantire cure mediche preventive più efficaci. La maglietta misura l’elettrocardiogramma a 3 derivazioni, la temperatura corporea e il movimento. Tutti gli strumenti diagnostici sono integrati in una maglietta che risulta comunque confortevole da indossare. La Fit shirt include componenti elettronici quali sensori Ecg da utilizzare a secco, dispositivi per l’elaborazione di segnali complessi, un sensore di temperatura, un sensore di movimento,  un microcontrollore a basso consumo e dispositivi che consentono  di operare in modalità wireless.

Affective computing,
emotional computing
e natural user interface

I sistemi indossabili necessitano di metodologie di elaborazione che consentono l’interazione con la persona in maniera naturale, adattativa e predittiva. Ciò per rendere più semplice ed efficace la componente di sistema che concerne l’interfacciamento tra il mondo fisico esterno, sia naturale che artificiale, e la natura psicofisica della persona. L’affective computing consente al computer di interpretare e reagire alle emozioni umane, simulando anche lo stesso modo “emotivo” di comportarsi da parte degli esseri umani. Il computer interpreta lo stato emotivo degli esseri umani e adatta il suo modo di essere a questo, dando un’appropriata risposta a tali emozioni. La rilevazione della condizione emotiva avviene tramite la cattura di informazioni sia a livello sensoriale, sia a livello comportamentale. Tra i parametri fisiologici che possono essere direttamente misurati da un sistema indossabile ci sono la voce, tramite microfono, la gestualità, tramite accelerometri, la temperatura, la resistenza galvanica e la variabilità cardiaca, tramite sensori di contatto, ecc. Riconoscere e utilizzare in maniera efficace le informazioni comportamentali ed emozionali implica l’utilizzo di metodologie di elaborazione non convenzionali, cosiddette di softcomputing, alternative a quelle convenzionali cosiddette di hardcomputing. Il compunting indossabile è quindi prevalentemente di natura di segnale e con una forte connotazione a supportare le metodologie dello smart computing (reti neurali, logica fuzzy, intelligenza artificiale, ecc.). L’integrazione tra persona e computer, oltre che relativamente alla dimensione fisica, attiene anche all’integrazione con la dimensione comunicativa, in particolare l’interfaccia utente. L’interfaccia naturale è quindi un altro importante elemento di integrazione del sistema indossabile. La comunicazione tra computer e persona che lo indossa deve avvenire in maniera naturale, quindi principalmente in maniera sensoriale, sia a livello linguistico, sia a livello fisiologico. L’interfaccia vocale è una delle funzionalità primarie della Nui (Natural user interface), sia in termini di riconoscimento, sia in termini di sintesi. Grazie alla voce è possibile anche determinare lo stato emozionale dell’utilizzatore, oltre ad altre informazioni ad alto livello per ottenere un livello di comunicazione efficace e non invasivo. Oltre al livello linguistico, l’interfaccia naturale, nei sistemi indossabili, integra anche il livello fisiologico, quindi la possibilità di comunicare tramite parametri fisiologici come la frequenza cardiaca o l’attività motoria.

Un sistema indossabile watch-level
Un esempio di sistema indossabile che si integra in maniera non invasiva con l’individuo è l’orologio. Questo dispositivo, parte integrante della “vestibilità” dell’individuo, rappresenta senza dubbio uno dei livelli di integrazione più facilmente approcciabili per il wearable computing. Texas Instruments ha realizzato eZ430Chronos, un sistema di prototipazione rapida di applicazioni indossabili, basato sul suo microcontrollore ultra low-power MSP430. Si tratta di un sistema di sviluppo di natura wireless altamente integrato, che consente allo sviluppatore di realizzare applicazioni intelligenti di natura personale che vengono indossate dalla persona sotto forma di orologio e che riguardano la misura e visualizzazione di dati fisiologici, la visualizzazione personale di dati dalle personal area networks, la gestione remota di dati sensoriali, ecc. Il microcontrollore di riferimento è un SoC con funzionalità Rf embedded (CC430F6137) sub GHz. Il sistema di sviluppo dell’eZ430-Chronos ne implementa la funzionalità in termini di piattaforma di riferimento per lo sviluppo di applicazioni di natura wireless a livello di sistema orologio.

Energy harvesting
per l’alimentazione dei sistemi indossabili

La tecnologia microelettronica si caratterizza per due trend fondamentali, la riduzione delle dimensioni e la riduzione dei consumi di potenza. La riduzione dei consumi di potenza, in particolare, ha portato a una durata della carica delle batterie delle applicazioni embedded di natura portatile molto ampia, anche addirittura pari alla stessa vita dell’applicazione. La batteria però rappresenta comunque un fattore di ingombro non indifferente, soprattutto per i sistemi indossabili e la sensoristica wireless, considerando la miniaturizzazione raggiunta dalla microelettronica. Estrarre energia dall’ambiente con l’energy harvesting è la soluzione più efficace per la realizzazione dei sistemi indossabili, per renderli ulteriormente non invasivi rispetto alle abitudini della persona che li indossa. La tecnologia delle batterie evolve molto più lentamente di quella della microelettronica, rendendo in tal modo sempre più ampio e sfavorevole il rapporto tra la dimensione dei dispositivi microelettronici e quella dei dispositivi di alimentazione. Varie sono le fonti di energia che consentono di implementare in maniera efficace la tecnica dell’harvesting nei sistemi indossabili, in particolare quella derivante direttamente dal corpo umano (dell’ordine delle decine di Joule nel movimento di una persona), oppure dall’ambiente a lui circostante (per esempio alcune centinaia di microwatt dai segnali in radio frequenza). In generale le fonti di energia da cui i sistemi di harvesting possono derivare energia sono quella cinetica, quella termica e quella elettromagnetica. La memoria contactless non volatile con doppia interfaccia RF e I2C e funzionalità di energy harvesting M24LR di STMicroeletronics è pensata proprio per realizzare applicazioni battery-free e wireless. La capacità scambiare dati in accordo con lo standard Iso15693, compatibile con la funzionalità Nfc (Near field communication) degli smartphone e con la funzionalita Rfid (Radio frequency idenditication). Le capacità di operare autonomamente dal punto di vista energetico, di poter scambiare dati in modalità Rf e di memorizzare dati in maniera non volatile, rappresentano tre importanti tecnologie abilitanti per la realizzazione di sistemi indossabili. L’energia viene catturata dal campo elettromagnetico generato dal reader/writer Rfid o Nfc. Disponibile in un kit di prototipazione rapida M24LR Discovery Kit, la memoria non volatile M24LR insieme al transceiver CR95HF e al microcontrollore ad alte prestazioni STM32 consente di alimentare e comunicare con un’altra scheda non alimentata da batteria dotata della dual-interface Eeprom M24LR e il microcontrollore ultra low-power STM8L.

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