Kako rade pametni satovi i njihovi senzori?

Ali malo tko se pita kako funkcioniraju pametni satovi, odnosno kako funkcioniraju senzori pametnog sata. Nikad se osobno nisam u to upuštao. Bio sam svjestan koji se senzori obično postavljaju i znao sam grubu teoriju o tome kako rade, ali nikad nisam mogao pronaći motivaciju da to shvatim.

Ideja za članak je došla kad sam bio u avionu i pitao se zašto moj sat u avionu ne pokazuje točnu visinu. Kolega novinar mi je objasnio da se to samo regulira ovisno o pritisku. A kako je tlak u kabini prilagođen za boravak na visini od nekoliko tisuća metara, bilo mi je potpuno razumljivo zašto mi je pametni sat pokazao da sam na visini Šmarne gore.

Odatle sam se počeo pitati kako sat mjeri otkucaje srca, kako korake i zasićenost krvi kisikom, kako stres i sve ostale podatke. S obzirom na to da nosivi uređaji postaju industrija vrijedna više milijardi dolara, a razvoj i korištenje se samo ubrzavaju, ima smisla razumjeti što se događa iza kulisa tehnologije koja nas prati od jutra do mraka – a često i u noć.

Koji su senzori ugrađeni u pametne satove?

Pametni satovi iznimno su svestrani uređaji, na neki način čak i više od pametnih telefona. Pomoću njih možemo pratiti obavijesti, poruke, pozive, pratiti fizičku kondiciju i napredak, pa čak i igrati igrice, iako to nije baš briljantno iskustvo. Najviše nas zanima analiza tijela i performansi pametnog sata tijekom vježbanja, ali i tijekom odmora (spavanja). Sve to omogućuju senzori.

• Senzor ubrzanja mjeri ubrzanje ili silu u tri dimenzije: x, y i z. Može otkriti statičko (gravitacijsko) i dinamičko (kretanje ili vibracije) ubrzanje.
• Za razliku od akcelerometra, žiroskop mjeri isključivo kutna ubrzanja.
• Senzor otkucaja srca razumljivo brine o mjerenju otkucaja srca tijekom vježbanja i mirovanja.
• GPS je senzor koji koristi satelitske signale za određivanje lokacije korisnika.
• Barometar ili barometarski senzor tlaka mjeri tlak zraka, koji se može koristiti za određivanje nadmorske visine.

Ovo je grubi prikaz senzora koji se obično ugrađuju u pametne satove. Ovisno o satu, može sadržavati i EKG, senzor dubine, senzor temperature, magnetometar i slično. Pogledajmo pobliže kako radi svaki pojedinačni senzor.

Kako pametni satovi broje korake? Kako rade akcelerometar i žiroskop?

10 000 koraka taj je magični broj naveden na gotovo svakom pametnom satu ili sličnom nosivom fitnesu. Pojavio se u Japanu davne 1964. godine i od tada se smatra de facto brojem za postizanje optimalnog zdravlja. Je li ta brojka doista magična granica, ovoga puta nećemo ulaziti u to. Neki stručnjaci se slažu, dok drugi tvrde da čak i manji broj koraka (oko 7000) dovodi do sličnih zdravstvenih učinaka.

U svakom slučaju, kako pametni sat broji korake? U tome pomažu senzor ubrzanja i žiroskop.

Akcelerometar bilježi različite podatke, poput brzine i ubrzanja, koji se zatim mogu koristiti u razne svrhe, poput izračuna prijeđene udaljenosti (pomoću GPS-a), prosječnog tempa, duljine koraka i slično. Senzor akcelerometra također se može koristiti za praćenje obrazaca spavanja, što može pomoći u prepoznavanju epileptičkih napadaja. Iako većina pametnih satova nema tu mogućnost, te se vrste senzora još uvijek koriste u određenim medicinskim uređajima.

Najveće ograničenje senzora ubrzanja je granica do koje mogu točno mjeriti ubrzanje. Sat također može imati problema s razlikovanjem određenih aktivnosti ili gesti, pa može postati neprecizan pri brojanju koraka. Na primjer, ako mašete rukama na mjestu, neki senzori će to detektirati kao korak.

Postoje dvije vrste senzora:

• Piezoelektrični, koji koriste male kristale za izvođenje mjerenja. Kada ti kristali osjete silu, oni se mijenjaju i stvaraju električni signal koji govori koliko je sila bila jaka.
• Kapacitivni senzori rade na principu promjene električnog kapaciteta. Imaju dvije mikrostrukture koje se kreću jedna prema drugoj tijekom ubrzanja. To mijenja električni kapacitet između njih i senzor detektira tu promjenu.

Zbog ovih značajki i njihove male veličine, danas su senzori gotovo uvijek prisutni u pametnim satovima, pa čak i telefonima. Ukratko, pomažu pametnim satovima i drugim uređajima da razumiju kako se korisnik kreće (trči, hoda, odmara, skače...).

Kako pametni satovi mjere otkucaje srca? Kako radi optički senzor otkucaja srca?

Konačno ćete dobiti objašnjenje zašto zeleno svjetlo ispod sata uvijek treperi. Pametni satovi obično s donje strane imaju optički senzor koji uz pomoć zelenog svjetla pokušava izmjeriti broj otkucaja srca korisnika. Zašto zeleno svjetlo? Spektroskopija je disciplina koja se bavi analizom emisije svjetlosti i drugih zračenja iz kontakta s određenom tvari. Preskačući suhoparno objašnjenje, važno je da nam spektroskopija govori da krv lakše apsorbira zelenu svjetlost jer su crvena i zelena boja na suprotnoj strani spektra boja.

Optički senzor na stražnjoj strani pametnog sata detektira reflektirano svjetlo, što je vrlo slično spektrometru. Glavna razlika je u tome što su kod satova izvor svjetlosti i detektor smješteni na istoj strani, dok su kod spektrometra jedan nasuprot drugome. Loša strana ovog izgleda je da mjerenje otkucaja srca može biti manje precizno sa satovima.

Mjerenje otkucaja srca pomoću svjetla naziva se fotopletizmografija. Uređaj mjeri promjenu koncentracije crvenih krvnih stanica kada se krvne žile šire i skupljaju – proširene krvne žile apsorbiraju više zelene svjetlosti, a skupljene krvne žile apsorbiraju manje zelene svjetlosti. Detektor mjeri reflektirano svjetlo, a softverski algoritam pretvara promjene u intenzitetu svjetla u vaš puls.

Osim senzora, najnoviji pametni satovi imaju i napredni softver, koji im omogućuje prilično precizno i rano otkrivanje potencijalnih problema, poput fibrilacije atrija (nepravilan rad srca). Naravno, postoje odstupanja jer na mjerenja može utjecati nekoliko čimbenika. Čak i različite pigmentacije kože mogu dovesti do manjih odstupanja.

Kako pametni satovi mjere zasićenost krvi kisikom (SpO₂)?

SpO₂ ili zasićenost kisikom je postotak hemoglobina u krvi koji je vezan za kisik. Drugim riječima, to je mjerenje koje govori koliko se kisika prenosi kroz krv. Ovo je jedna od novijih metrika koja se nalazi na pametnim satovima i drugim nosivim uređajima. Također je vrlo energetski učinkovit i ne utječe bitno na autonomiju baterija ovakvih uređaja.

Stvarno je zaživio tijekom pandemije koronavirusa kada je mogao otkriti jesu li razine kisika pale ispod preporučenih razina (95-100 % je optimalno; ispod 70 % je opasno po život). Najtočnije mjerenje SpO₂ je vađenje krvi, ali zdravstveni radnici najčešće koriste pulsnu oksimetriju. Na prst ili ušnu resicu postavlja se optički uređaj koji, slično mjerenju otkucaja srca, usmjerava svjetlost kroz kožu prema detektoru.

Zeleno svjetlo se koristi za mjerenje pulsa, dok SpO₂ i crveni i infracrveni. Oksigenirani hemoglobin (zasićen kisikom) apsorbira IR svjetlost i propušta crvenu svjetlost, dok deoksigenirani hemoglobin propušta IC svjetlost i apsorbira crvenu svjetlost. Pametni satovi mjere SpO₂ pulsnom oksimetrijom izračunavanjem razlike između IR apsorpcije i crvenog svjetla. Na taj način, primjerice, možete saznati imate li apneju za vrijeme spavanja.

Kako EKG radi na pametnom satu?

Pametni sat s EKG funkcijom (Apple Watch Ultra, Huawei Watch GT 4...) koristi senzor s jednom elektrodom za mjerenje električne aktivnosti srca, koji se nalazi na donjoj strani sata. Ova vrsta EKG-a može otkriti nepravilan srčani ritam, ali ne može otkriti, primjerice, hipertrofiju lijeve klijetke, koju može otkriti samo 12-kanalni EKG. Iako EKG na pametnom satu ne može biti tako precizan i informativan kao 12-kanalni EKG, ipak je prikladan za trenutni pristup podacima o zdravlju srca.

Kako radi magnetometar?

Magnetometar je uređaj koji mjeri magnetske sile. Koristi se zajedno s akcelerometrima i žiroskopima u uređaju koji se naziva inercijalna mjerna jedinica (IMU). Ova kombinacija senzora pomaže uređaju razumjeti kako se kreće i kako je orijentiran u prostoru.

Magnetometar mjeri kako Zemljino magnetsko polje utječe na uređaj. Ovo je slično onome što radi kompas. Pri tome se koristi princip Hallovog efekta prema kojem, ako se vodič kroz koji teče struja stavi u magnetsko polje, na vodiču se stvara napon okomit na struju i magnetsko polje. Elektrode u vodiču kolabiraju (mijenja im se gustoća) zbog magnetskog polja, što rezultira očitanjem napona. Ako se primijenjene sile mijenjaju, očitanje napona mijenja se proporcionalno, pokazujući vrijednost i smjer magnetskog polja.

Koristeći sva tri senzora, pametni satovi mogu bolje pratiti i tumačiti pokrete korisnika. Magnetometar dodaje dodatni sloj informacija o smjeru koji je koristan za točnije praćenje kretanja.

Kako pametni satovi koriste GPS?

GPS je jedan od najvažnijih elemenata pametnog sata (i telefona). Logično se koristi za navigaciju. Podaci se šalju na satelit gdje se mjeri točna lokacija i vrijeme. On tada djeluje kao odašiljač i prijamnik, vraća podatke senzoru pametnog sata i bilježi lokaciju. Tako pametni satovi, primjerice, mjere prijeđenu udaljenost (uz pomoć senzora ubrzanja i žiroskopa). U nogometu ste već primijetili da se u analizama često koristi mapa gdje je određeni igrač proveo najviše vremena. Za to je zaslužan GPS koji može jako opteretiti bateriju nosivog uređaja.

Kako rade senzori tlaka?

Senzori tlaka mjere koliko jake sile djeluju na nešto, poput uređaja ili sportske opreme. Postoji nekoliko različitih senzora tlaka, koji obično rade na temelju mjerača naprezanja ili mjerača naprezanja.

U pametnim satovima nalazimo senzore barometarskog tlaka (barometre) koji mjere atmosferski zrak u okolini, što im omogućuje određivanje nadmorske visine. Oni također mogu pomoći u predviđanju vremenskih promjena, ali to nije njihova funkcija u pametnim satovima.

Postoje i senzori tlaka koji koriste ove Wheatstoneove mostove, koji su posebna vrsta električnog kruga za otkrivanje promjena otpora. Koriste se u sportskoj opremi za mjerenje kontaktne sile na lopti ili za praćenje kretanja igrača. Također se mogu koristiti za analizu hoda, na primjer za mjerenje sile koja djeluje na različite dijelove stopala, što može poboljšati agilnost ili smanjiti rizik od ozljeda.

Kako pametni satovi mjere stres?

Danas većina pametnih satova, poput serije Samsung Galaxy Watch, koristi tehnologiju varijabilnosti otkucaja srca (HRV) za procjenu stresa. Potonji mjeri interval između otkucaja srca i jednako je važan kao i broj otkucaja u minuti u procjeni fiziološkog stresa. HRV kontrolira naš autonomni živčani sustav, dio našeg živčanog sustava koji automatski prilagođava otkucaje srca, krvni tlak i brzinu disanja kao odgovor na vanjske stresore. Ako je HRV nizak (ako postoje razlike između otkucaja srca), to može biti pokazatelj da je naš živčani sustav u stanju većeg stresa. Ako je HRV visok (intervali između otkucaja su raznolikiji), vjerojatnije je da ćemo biti opušteniji.

Neki pametni satovi (Fitbit Sense, Pixel Watch 2 itd.) ne koriste HRV metodu, već namjenski EDA senzor, odnosno senzor za elektrodermalnu aktivnost, koji analizira obrasce promjena električne vodljivosti kože uzrokovane znojenjem. Također uzima u obzir HRV, otkucaje srca i temperaturu kože. Uz pomoć algoritama i EDA senzora, pametni satovi traže nagle promjene ovih pokazatelja te izračunavaju razinu stresa i upozoravaju vas na to.

Ovo su glavni senzori koje ćete susresti na pametnom satu ili drugom nosivom uređaju. Sada znate kako rade i moći ćete bolje razumjeti kada su podaci točni i zašto postoje odstupanja. Ako želite dublje proniknuti u funkcioniranje različitih senzora, u nastavku sam naveo neke poveznice za istraživanja i članke koji istražuju kako funkcioniraju senzori i nosivi uređaji.