Wearable systems, l’ultima frontiera tecnologica

I sistemi indossabili sono la nuova sfida tecnologica che il mondo dell’elettronica ha iniziato ad affrontare da qualche anno e che ormai è sufficientemente matura per rappresentare un mercato mondiale di estrema rilevanza. I sistemi indossabili rappresentano la prima onda dello sviluppo di un contesto tecnologico in rapida evoluzione noto come Internet Of Things. Google Glass e iWatch, due emblematici esempi dello stato dell’arte dei sistemi indossabili, non sono altro che la punta dell’iceberg dell’ormai matura tecnologia del wearable, di cui braccialetti, cerotti intelligenti, fasce per il fitness, sono altre meno clamorose, ma non meno importanti, applicazioni indossabili. Ciò è anche la dimostrazione del fatto che le tecnologie fondamentali per il wireless sono ampiamente disponibili: processori ultra low-power e ultra small, nano sensori intelligenti, sistemi di alimentazione wire-free e harvester. Non bisogna pensare comunque ai dispositivi wearable come alla miniaturizzazione degli smartphone. I sistemi wearable hanno una finalità applicativa diversa e ben più ampia degli smartphone, in particolare quella di realizzare la connessione diretta tra mondo fisico e fisiologico con l’individuo e con il mondo della tecnologia e della comunicazione che lo circonda. Lo smartphone quindi non sarà sostituito da sistemi wearable, ma realizzerà per questi un livello di cloud computing a basso costo e bassa complessità, la cosiddetta Wpan (Wireless personal area network), che mette insieme i dispositivi palmari con i dispositivi indossabili per interconnettere e controllare l’ambiente che ci circonda in maniera immediata e personalizzata. Dunque, anche se i sistemi indossabili appaiono come una evoluzione dimensionale degli smartphone, di fatto si tratta di sistemi elettronici di qualsiasi natura con cui una persona interagisce sia in maniera collaborativa, sia in maniera non collaborativa. Della tecnologia del mobile i sistemi wearable usano solo una piccola parte, mentre la maggior componente tecnologica è stata sviluppata specificamente per consentire la progettazione e la realizzazione industriale dei sistemi indossabili, un’onda tecnologica che dominerà lo scenario Ict per numerosi anni. Il wearable è una tecnologia che sviluppa le funzionalità necessarie alla realizzazione di sistemi indossabili, oltre che relativamente alle ridottissime dimensioni, anche relativamente al consumo di potenza elettrica e alla integrazione di sistema. In questa direzione i produttori di componenti elettronici si stanno impegnando per rendere disponibili sul mercato i componenti funzionali di un sistema indossabile: il microcontrollore, l’interfaccia uomo-macchina, la connettività wireless, la connettività al mondo fisico, il sistema di alimentazione elettrica. Ognuno di questi componenti è stato sviluppato in modo da essere compatibile con le specifiche funzionali di un sistema indossabile: dimensioni ridottissime dell’ordine del centimetro, capacità computazionali dello stesso ordine dei sistemi non indossabili, consumi di potenza tali da consentirne il funzionamento virtualmente illimitato nel tempo. La tecnologia del wearable non riguarda solo l’hardware. Le ridottissime dimensioni implicano nuovi modelli computazionali e di interazione uomo-macchina. I sistemi wearable, date le piccolissime dimensioni, non potranno adottare modalità di interazione uomo-macchina tradizionali come la tastiera e il display. Questi dispositivi di interazione saranno sostituiti dalla natural user interface, un modello di interazione uomo-macchina basato sui meccanismi naturali di comunicazione e interazione sensoriali tipici degli esseri umani (udito, vista, tatto, olfatto), sui comportamenti (gestualità, emozione, biometrica, ecc.), sulle manifestazioni fisiologiche (frequenza cardiaca, temperatura corporea, respirazione, ecc.).

Mcu: ultrasmall e ultra low-power
La microcontroller unit è il cuore di tutti i sistemi indossabili e da questa dipende fortemente l’effettiva realizzabilità dei sistemi indossabili. Dato per scontato che ridottissime dimensioni e bassissimo consumo di potenza sono i requisiti fondamentali, è anche necessario che a questi requisiti corrisponda anche una capacità computazionale molto avanzata e un’integrazione di sistema elevata. Che tutto ciò sia già allo stato dell’arte lo ha dimostrato Freescale con l’introduzione lo scorso anno dell’ultraminiaturizzata Mcu Kinetis KL02, un chip-scale package di solo 1.9 x 2.0 mm, subito seguito quest’anno dal Kinetis KL03 ancora più piccolo (1.6 x 2.0 mm). A questa riduzione delle dimensioni è corrisposto un incremento della funzionalità oltre a un minore consumo energetico. Rispetto alle Mcu non miniaturizzate, la Mcu Kinetis KL03 consuma il 35% meno di energia e dispone del 60% in più di Gpio. Le dimensioni ultraridotte e il bassissimo consumo di potenza di Kinetis KL03 di Freescale fanno di questo dispositivo un esempio emblematico di come l’industria dei semiconduttori guardi con grande interesse alla nuova onda tecnologica dei sistemi ultaembedded e in particolare di quelli wearable.

Sensori: intelligenza e integrazione
I sensori sono i dispositivi che consentiranno di connettere tutto a tutto in un contesto di integrazione globale dell’informazione. È previsto che passeranno dal già considerevole volume dell’ordine dei miliardi di pezzi/anno attuale al triliardo di pezzi/anno nel 2025, un incremento di 1000 del volume in 10 anni. I sensori sono la tecnologia abilitante dei sistemi indossabili in quanto questi consentono al sistema di comunicare con il mondo fisico che circonda chi indossa il sistema e rendere il dispositivo consapevole di cosa circonda l’utilizzatore. Ciò implica che i sensori siano molteplici, che le informazioni estratte dal mondo fisico vengano aggregate (fusion) e che queste vengano comunicate all’applicazione in maniera efficace ed efficiente. Il sensor hub è un fondamentale sottosistema di un sistema indossabile in quanto consente di interfacciare i sensori e preprocessare le informazioni che questi catturano dal mondo fisico. Queste funzioni potrebbero essere svolte dalla Mcu, ma a costo di una maggiore complessità e consumo di potenza. La soluzione sensor hub di Lattice è innovativa in quanto basata sulla tecnologia Fpga iCE40LM. Questa soluzione di solo 1.71 x 1.71 mm (0.45 mm di spessore) e ultra low-power, consente di implementare il sottosistema di gestione dei sensori oltre ad eseguire il necessario preprocessing prima dell’applicazione. Considerando la programmabilità hardware offerta dalle Fpga, quelle ultra-small e ultra low-power rappresentano una delle tecnologie abilitanti dei sistemi indossabili. La soluzione sensor hub di Lattice monitorizza numerosi sensori e permette ad un application processor di rimanere in stato di sleep molto più a lungo di quanto potrebbe fare se gestisse direttamente i sensori. Il sensor hub bufferizza i dati dei sensori, li aggrega e li invia via SPI all’application processor, mentre si connette ai sensori via I2C bus. Oltre a supportare una sere di sensori tipici (pressione, temperatura, colore, umidità, accelerometri, giroscopi e magnetometri) supporta anche altri sensori in quanto hardware-configurabile. Le ridottissime dimensioni di questa Fpga e il reference design sensor hub che consente la connettività diretta via Spi alla Mcu e via I2C ai sensori, rappresentano un fattore fondamentale di ottimizzazione nella realizzazione dei sistemi indossabili.

Alimentazione: stato solido e wire-free recharging
I sistemi di alimentazione tradizionali sono incompatibili con la tecnologia del wearable. Prima di tutto per ragioni dimensionali. La densità delle batterie Li-Ion, quella attualmente più diffusa per le applicazioni portatili e wireless, non ha raggiunto valori tali da essere compatibile in termini dimensionali con le applicazioni wearable. Inoltre, la natura chimica dei sistemi di alimentazione a batterie ricaricabili è incompatibile con la natura di molte applicazioni attuali e future dei sistemi wearable. Per esempio, la possibile esposizione del sistema wearable a temperature superiori ai 60 °C può comportare il rischio di esplosione (un rischio che tra l’altro aumenta all’aumentare della densità energetica della batteria). Inoltre, la densità di energia delle batterie chimiche è significativamente limitata dalla necessità di incapsulamento alquanto robusto al fine di isolare la batteria adeguatamente dal resto della circuiteria. La soluzione per alimentare i sistemi wearable sta nella stessa natura elettronica dei sistemi wearable, lo stato solido e la microintegrazione. Le batterie allo stato solido sono dispositivi di accumulo di energia ricaricabili realizzati su wafer di silicio con il processo di produzione dei semiconduttori. Grazie a questa tecnologia, non solo si possono produrre batterie allo stato solido stand-alone, ma anche integrare nello stesso package la batteria e il resto della circuiteria che deve essere alimentata ottenendo fondamentali vantaggi come l’elevata densità energetica, un basso tasso di autoscarica, un elevato numero di cicli di ricarica, dimensioni ultra ridotte (meno di 0.2 mm3) e automatizzabile nel processo di montaggio superficiale. Il modo migliore di alimentare i sistemi wearable sta nella tecnologia delle batterie allo stato solido. Incapsulate separatamente, possono essere montate a stack con altri package di tipo chip-scale ottenendo in tal modo strutture di montaggio 3D che riducono significativamente il volume del dispositivo. Il volume può essere ulteriormente ridotto se si utilizza la tecnologia del co-pakaging della batteria allo stato solido con gli altri componenti di sistema. Per esempio, l’EnerChip di Cymbet (12 µAh a 3,8 V) è una batteria allo stato solido che a livello di die misura 2.8 mm x 3.5 mm x 150 µm. Questa soluzione a livello di die accumula la stessa energia di un battery package CBC012 occupando 1/15 del suo volume. Lo stacking di batterie bare die solid state con un altro componente porta dunque ad un aumento di 15 volte la densità rispetto al pakaging discreto. L’alimentazione dei sistemi indossabili non è solo critica dal punto di vista dimensionale, ma anche dal punto di vista funzionale. La modalità di ricarica da una parte e l’indipendenza funzionale dalla ricarica della batteria del sistema indossabile dall’altra ha un grosso impatto sulla natura delle applicazioni dei sistemi indossabili. L’energy harvesting, malgrado la maggiore complessità di sistema richiesta (trasduttore, interfacce, conversione, storage), in termini di costo per mAh è comunque competitiva rispetto alla soluzione di alimentazione a batterie alcaline e a quella a bottone. Il sistema di alimentazione harvesting dipende ovviamente delle fonti di energia esterne al sistema wearable e di come questo interagisce con l’ambiente esterno (per esempio, illuminazione solare, vibrazioni, calore ambientale, radiofrequenza e induzione). La combinazione della tecnologia di harvesting con quella delle batterie allo stato solido come quella offerta da Cymbet è effettiva per la realizzazione di sistemi wearable capaci di soddisfare i più ampi requisiti applicativi, soprattutto quello della completa indipendenza del sistema dalla ricarica e dalla modalità di ricarica.

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