¿Cómo funcionan los relojes inteligentes y sus sensores?

Pero muy pocos preguntan cómo funcionan los relojes inteligentes, o mejor dicho, cómo funcionan los sensores de los relojes inteligentes. Yo nunca he profundizado en ello. Sabía qué sensores se instalaban habitualmente y conocía una teoría aproximada de cómo funcionaban, pero nunca pude encontrar la motivación para llegar al fondo del asunto.

La idea del artículo surgió cuando estaba en un avión preguntándome por qué el reloj de mi avión no mostraba la altitud correcta. Un compañero periodista me explicó que se regula solo en función de la presión. Y como la presión en la cabina está ajustada para permanecer a una altitud de varios miles de metros, entendí perfectamente por qué mi reloj inteligente me indicaba que me encontraba a la altura de Šmarna gora.

A partir de ahí, comencé a preguntarme cómo mide el reloj la frecuencia cardíaca, cómo los pasos y la saturación de oxígeno en sangre, cómo el estrés y todos los demás datos. Ahora que los dispositivos portátiles se están convirtiendo en una industria multimillonaria y su desarrollo y uso solo se acelerarán, tiene sentido comprender lo que sucede detrás de escena de la tecnología que nos acompaña desde la mañana hasta la noche (y, a menudo, hasta bien entrada la noche).

¿Qué sensores están integrados en los relojes inteligentes?

Los relojes inteligentes son dispositivos extremadamente versátiles, en algunos aspectos incluso más que los teléfonos inteligentes. Podemos usarlos para monitorizar notificaciones, mensajes, llamadas, monitorizar el estado físico y el progreso, e incluso jugar, aunque no es precisamente una experiencia brillante. Lo que más nos interesa es el análisis del cuerpo y el rendimiento del reloj inteligente durante el ejercicio y también durante el descanso (sueño). Todo esto es posible gracias a los sensores.

• Un sensor de aceleración mide la aceleración o la fuerza en tres dimensiones: x, y y z. Puede detectar aceleración estática (gravitacional) y dinámica (movimiento o vibración).
• A diferencia de un acelerómetro, un giroscopio mide exclusivamente aceleraciones angulares.
• Es comprensible que el sensor de frecuencia cardíaca se encargue de medir la frecuencia cardíaca durante el ejercicio y en reposo.
• El GPS es un sensor que utiliza señales de satélite para determinar la ubicación del usuario.
• Un barómetro o sensor de presión barométrica mide la presión del aire, que puede usarse para determinar la altitud.

Esta es una representación aproximada de los sensores que suelen estar integrados en los relojes inteligentes. Dependiendo del reloj, también puede contener un ECG, un sensor de profundidad, un sensor de temperatura, un magnetómetro y similares. Echemos un vistazo más de cerca a cómo funciona cada sensor individual.

¿Cómo cuentan los relojes inteligentes los pasos? ¿Cómo funcionan el acelerómetro y el giroscopio?

10.000 pasos es ese número mágico que aparece en casi todos los relojes inteligentes o dispositivos de fitness similares. Apareció en Japón allá por 1964 y desde entonces se ha considerado el número de facto para lograr una salud óptima. Si este número es realmente un límite mágico, no profundizaremos en ello esta vez. Algunos expertos están de acuerdo, mientras que otros argumentan que incluso un número menor de pasos (alrededor de 7.000) produce efectos similares en la salud.

De todos modos, ¿cómo cuenta los pasos un reloj inteligente? El sensor de aceleración y el giroscopio ayudan en esto.

El acelerómetro captura diversos datos, como la velocidad y la aceleración, que luego pueden usarse para diversos fines, como calcular la distancia recorrida (usando GPS), el ritmo promedio, la longitud de la zancada, etc. El sensor acelerómetro también se puede utilizar para controlar los patrones de sueño, lo que puede ayudar a identificar ataques epilépticos. Aunque la mayoría de relojes inteligentes no tienen esta capacidad, este tipo de sensores todavía se utilizan en determinados dispositivos médicos.

La mayor limitación de los sensores de aceleración es el límite hasta el cual pueden medir con precisión la aceleración. El reloj también puede tener problemas para distinguir entre determinadas actividades o gestos, por lo que puede volverse impreciso al contar los pasos. Por ejemplo, si mueves las manos en un lugar, algunos sensores lo detectarán como un paso.

Hay dos tipos de sensores:

• Piezoeléctricos, que utilizan pequeños cristales para realizar mediciones. Cuando estos cristales sienten una fuerza, cambian y crean una señal eléctrica que comunica qué tan fuerte fue la fuerza.
• Los sensores capacitivos funcionan según el principio de cambios en la capacitancia eléctrica. Tienen dos microestructuras que se acercan durante la aceleración. Esto cambia la capacitancia eléctrica entre ellos y el sensor detecta este cambio.

Debido a estas características y a su pequeño tamaño, hoy en día los sensores casi siempre están presentes en los relojes inteligentes e incluso en los teléfonos. En definitiva, ayudan a los relojes inteligentes y otros dispositivos a comprender cómo se mueve el usuario (correr, caminar, descansar, saltar…).

¿Cómo miden los relojes inteligentes la frecuencia cardíaca? ¿Cómo funciona el sensor óptico de frecuencia cardíaca?

Finalmente, obtendrás una explicación de por qué la luz verde debajo del reloj siempre parpadea. Los relojes inteligentes suelen tener un sensor óptico en la parte inferior, que intenta medir la frecuencia cardíaca del usuario con la ayuda de una luz verde. ¿Por qué la luz verde? La espectroscopia es una disciplina que se ocupa del análisis de la emisión de luz y otras radiaciones por contacto con una determinada sustancia. Saltándonos la explicación seca, lo importante es que la espectroscopia nos dice que la sangre absorbe la luz verde más fácilmente porque los colores rojo y verde están en el lado opuesto del espectro de colores.

Un sensor óptico en la parte posterior del reloj inteligente detecta la luz reflejada, lo cual es muy similar a un espectrómetro. La principal diferencia es que en los relojes la fuente de luz y el detector están colocados en el mismo lado, mientras que en los espectrómetros están uno frente al otro. La desventaja de este diseño es que la medición de la frecuencia cardíaca puede ser menos precisa con los relojes.

La medición de la frecuencia cardíaca mediante luz se llama fotopletismografía. El dispositivo mide el cambio en la concentración de glóbulos rojos cuando los vasos sanguíneos se expanden y contraen: los vasos sanguíneos dilatados absorben más luz verde y los vasos sanguíneos contraídos absorben menos luz verde. El detector mide la luz reflejada y el algoritmo del software convierte los cambios en la intensidad de la luz en la velocidad de parpadeo.

Además de los sensores, los últimos relojes inteligentes también cuentan con software avanzado, que les permite detectar problemas potenciales, como la fibrilación auricular (latidos cardíacos irregulares), con bastante precisión y de forma temprana. Por supuesto, existen desviaciones, ya que las mediciones pueden verse influenciadas por varios factores. Incluso las diferentes pigmentaciones de la piel pueden provocar pequeñas variaciones.

Cómo los relojes inteligentes miden la saturación de oxígeno en sangre (SpO₂)?

SpO₂ o la saturación de oxígeno es el porcentaje de hemoglobina en la sangre que está unida al oxígeno. En otras palabras, es una medida que indica cuánto oxígeno se transporta a través de la sangre. Esta es una de las métricas más nuevas que se encuentran en los relojes inteligentes y otros dispositivos portátiles. También es muy eficiente energéticamente y no afecta significativamente a la autonomía de las baterías de este tipo de dispositivos.

Realmente cobró vida durante la pandemia de coronavirus cuando pudo revelar si los niveles de oxígeno habían caído por debajo de los niveles recomendados (95-100 % es óptimo; por debajo de 70 % es potencialmente mortal). La medición más precisa de SpO₂ es mediante extracción de sangre, pero los profesionales de la salud suelen utilizar la oximetría de pulso. Se coloca un dispositivo óptico en el dedo o en el lóbulo de la oreja que, de manera similar a la medición de la frecuencia cardíaca, dirige la luz a través de la piel hacia el detector.

Se utiliza una luz verde para medir el pulso, mientras que la SpO₂ y rojo e infrarrojo. La hemoglobina oxigenada (saturada con oxígeno) absorbe la luz IR y transmite luz roja, mientras que la hemoglobina desoxigenada transmite luz IR y absorbe la luz roja. Los relojes inteligentes miden la SpO₂ mediante oximetría de pulso calculando la diferencia entre la absorción IR y la luz roja. De esta forma, por ejemplo, podrás saber si tienes apnea del sueño.

¿Cómo funciona el ECG en un reloj inteligente?

Un reloj inteligente con función ECG (Apple Watch Ultra, Huawei Watch GT 4...) utiliza un sensor de un solo electrodo para medir la actividad eléctrica del corazón, situado en la parte inferior del reloj. Este tipo de ECG puede detectar un ritmo cardíaco irregular, pero no puede detectar, por ejemplo, la hipertrofia del ventrículo izquierdo, que sólo un ECG de 12 derivaciones puede detectar. Aunque el electrocardiograma de un reloj inteligente no puede ser tan preciso e informativo como un electrocardiograma de 12 derivaciones, sigue siendo conveniente para acceder instantáneamente a datos de salud cardíaca.

¿Cómo funciona un magnetómetro?

Un magnetómetro es un dispositivo que mide las fuerzas magnéticas. Se utiliza junto con acelerómetros y giroscopios en un dispositivo llamado unidad de medida inercial (IMU). Esta combinación de sensores ayuda al dispositivo a comprender cómo se mueve y cómo está orientado en el espacio.

Un magnetómetro mide cómo el campo magnético de la Tierra afecta al dispositivo. Esto es similar a lo que hace una brújula. Para ello se utiliza el principio del efecto Hall, según el cual, si un conductor portador de corriente se coloca en un campo magnético, se crea en el conductor una tensión perpendicular a la corriente y al campo magnético. Los electrodos en el conductor colapsan (su densidad cambia) debido al campo magnético, lo que resulta en una lectura de voltaje. Si las fuerzas aplicadas cambian, la lectura de voltaje cambia proporcionalmente, indicando el valor y la dirección del campo magnético.

Al utilizar los tres sensores, los relojes inteligentes pueden rastrear e interpretar mejor los movimientos del usuario. El magnetómetro agrega una capa adicional de información direccional que es útil para un seguimiento del movimiento más preciso.

¿Cómo utilizan los relojes inteligentes el GPS?

El GPS es uno de los elementos más importantes de un reloj (y teléfono) inteligente. Lógicamente se utiliza para la navegación. Los datos se envían a un satélite donde se miden la ubicación y la hora exactas. Luego, este actúa como transmisor y receptor, enviando datos al sensor del reloj inteligente y registrando la ubicación. Así, los relojes inteligentes, por ejemplo, miden la distancia recorrida (con la ayuda de un sensor de aceleración y un giroscopio). En el fútbol, ya habrás notado que en los análisis se suele utilizar un mapa que muestra dónde pasó más tiempo un determinado jugador. Esto se debe al GPS, que puede ejercer mucha presión sobre la batería del dispositivo portátil.

¿Cómo funcionan los sensores de presión?

Los sensores de presión miden la fuerza con la que actúan las fuerzas sobre algo, como un dispositivo o un equipamiento deportivo. Existen varios sensores de presión diferentes, que normalmente funcionan sobre la base de galgas extensométricas o extensímetros.

En los relojes inteligentes encontramos sensores de presión barométrica (barómetros) que miden el aire atmosférico del ambiente, lo que les permite determinar la altitud. También pueden ayudar a predecir los cambios climáticos, pero esa no es su función en los relojes inteligentes.

También existen sensores de presión que utilizan estos puentes de Wheatstone, que son un tipo especial de circuito eléctrico para detectar cambios en la resistencia. Se utilizan en equipamiento deportivo para medir la fuerza de contacto sobre el balón o para controlar el movimiento de los jugadores. También se pueden utilizar para analizar la marcha, por ejemplo para medir la fuerza ejercida en diferentes partes del pie, lo que puede ayudar a mejorar la agilidad o reducir el riesgo de lesiones.

¿Cómo miden el estrés los relojes inteligentes?

Hoy en día, la mayoría de los relojes inteligentes, como la serie Samsung Galaxy Watch, utilizan tecnología de variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV) para evaluar el estrés. Este último mide el intervalo entre latidos del corazón y es tan importante como el número de latidos por minuto para evaluar el estrés fisiológico. La VFC está controlada por nuestro sistema nervioso autónomo, la parte de nuestro sistema nervioso que ajusta automáticamente la frecuencia cardíaca, la presión arterial y la frecuencia respiratoria en respuesta a factores estresantes externos. Si el nivel de VFC es bajo (si hay diferencias entre los latidos del corazón), esto puede ser un indicio de que nuestro sistema nervioso se encuentra en un estado de mayor estrés. Si la VFC es alta (los intervalos entre latidos son más variados), es más probable que estemos relajados.

Algunos relojes inteligentes (Fitbit Sense, Pixel Watch 2, etc.) no utilizan el método HRV, sino un sensor EDA dedicado, es decir, un sensor de actividad electrodérmica, que analiza los patrones de cambios en la conductividad eléctrica de la piel provocados por la sudoración. También tiene en cuenta la VFC, la frecuencia cardíaca y la temperatura de la piel. Con la ayuda de algoritmos y el sensor EDA, los relojes inteligentes buscan cambios repentinos en estos indicadores, calculan los niveles de estrés y le avisan al respecto.

Estos son los principales sensores que encontrará en un reloj inteligente u otro dispositivo portátil. Ahora ya sabe cómo funcionan y podrá comprender mejor cuándo los datos son precisos y por qué hay desviaciones. Si desea profundizar más en cómo funcionan los diferentes sensores, a continuación enumeré algunos enlaces a investigaciones y artículos que exploran cómo funcionan los sensores y los dispositivos portátiles.