Come funzionano gli orologi intelligenti e i loro sensori?

Ma pochissimi si chiedono come funzionano gli smartwatch, o meglio, come funzionano i sensori degli smartwatch. Non l'ho mai approfondito personalmente. Sapevo quali sensori venivano solitamente installati e conoscevo una teoria approssimativa del loro funzionamento, ma non riuscivo mai a trovare la motivazione per andare a fondo della questione.

L'idea per l'articolo mi è venuta mentre ero su un aereo e mi chiedevo perché il mio orologio da aereo non mostrasse l'altitudine corretta. Un collega giornalista mi ha spiegato che si regola da sola a seconda della pressione. E poiché la pressione nella cabina è regolata per la permanenza a diverse migliaia di metri di altitudine, per me era del tutto comprensibile il motivo per cui il mio smartwatch mi mostrava che ero all'altezza di Šmarna gora.

Da lì ho iniziato a chiedermi come l'orologio misura la frequenza cardiaca, come i passi e la saturazione di ossigeno nel sangue, come lo stress e tutti gli altri dati. Con l'industria dei dispositivi indossabili che sta diventando un'industria multimiliardaria e il cui sviluppo e utilizzo sono destinati ad accelerare, è logico capire cosa succede dietro le quinte della tecnologia che ci accompagna dalla mattina alla sera – e spesso fino a tarda notte.

Quali sensori sono integrati negli orologi intelligenti?

Gli smartwatch sono dispositivi estremamente versatili, per certi versi ancor più degli smartphone. Possiamo usarli per monitorare notifiche, messaggi, chiamate, monitorare condizioni fisiche e progressi e persino giocare, anche se non è esattamente un'esperienza brillante. Ciò che ci interessa di più è l'analisi del corpo e le prestazioni dello smartwatch durante l'attività fisica e anche durante il riposo (sonno). Tutto ciò è reso possibile dai sensori.

• Un sensore di accelerazione misura l'accelerazione o la forza in tre dimensioni: x, y e z. Può rilevare l'accelerazione statica (gravitazionale) e dinamica (movimento o vibrazione).
• A differenza di un accelerometro, un giroscopio misura esclusivamente accelerazioni angolari.
• Il sensore della frequenza cardiaca si occupa comprensibilmente della misurazione della frequenza cardiaca durante l'esercizio e a riposo.
• Il GPS è un sensore che utilizza i segnali satellitari per determinare la posizione dell'utente.
• Un barometro o un sensore di pressione barometrica misura la pressione dell'aria, che può essere utilizzata per determinare l'altitudine.

Questa è una rappresentazione approssimativa di quali sensori sono tipicamente integrati negli smartwatch. A seconda dell'orologio, può contenere anche un ECG, un sensore di profondità, un sensore di temperatura, un magnetometro e simili. Diamo uno sguardo più da vicino a come funziona ogni singolo sensore.

Come contano i passi gli smartwatch? Come funzionano l'accelerometro e il giroscopio?

10.000 passi è quel numero magico elencato su quasi tutti gli smartwatch o dispositivi indossabili simili. È apparso in Giappone nel lontano 1964 e da allora è considerato il numero di fatto per raggiungere una salute ottimale. Se questo numero sia davvero un limite magico, questa volta non lo approfondiremo. Alcuni esperti concordano, mentre altri sostengono che anche un numero minore di passaggi (circa 7.000) porta a effetti simili sulla salute.

Comunque, come fa uno smartwatch a contare i passi? Il sensore di accelerazione e il giroscopio aiutano in questo.

L'accelerometro acquisisce vari dati, come velocità e accelerazione, che possono quindi essere utilizzati per vari scopi, come il calcolo della distanza percorsa (utilizzando il GPS), il ritmo medio, la lunghezza del passo e simili. Il sensore dell'accelerometro può essere utilizzato anche per monitorare i ritmi del sonno, il che può aiutare a identificare le crisi epilettiche. Sebbene la maggior parte degli smartwatch non disponga di questa funzionalità, questi tipi di sensori vengono ancora utilizzati in alcuni dispositivi medici.

La più grande limitazione dei sensori di accelerazione è il limite entro il quale possono misurare con precisione l'accelerazione. L'orologio può anche avere difficoltà a distinguere tra determinate attività o gesti, quindi può diventare impreciso nel conteggio dei passi. Ad esempio, se agiti le mani, alcuni sensori lo rileveranno come un passo.

Esistono due tipi di sensori:

• Piezoelettrico, che utilizza piccoli cristalli per eseguire misurazioni. Quando questi cristalli percepiscono una forza, cambiano e creano un segnale elettrico che comunica quanto fosse forte la forza.
• I sensori capacitivi funzionano secondo il principio delle variazioni della capacità elettrica. Hanno due microstrutture che si muovono l'una verso l'altra durante l'accelerazione. Ciò modifica la capacità elettrica tra di loro e il sensore rileva questo cambiamento.

A causa di queste caratteristiche e delle loro dimensioni ridotte, oggi i sensori sono quasi sempre presenti negli orologi intelligenti e persino nei telefoni. In breve, aiutano gli orologi intelligenti e altri dispositivi a capire come si muove l'utente (correndo, camminando, riposando, saltando...).

Come misurano la frequenza cardiaca gli smartwatch? Come funziona il sensore ottico della frequenza cardiaca?

Infine, ti verrà spiegato perché la luce verde sotto l'orologio lampeggia sempre. Gli orologi intelligenti di solito hanno un sensore ottico sul lato inferiore, che cerca di misurare la frequenza cardiaca dell'utente con l'aiuto della luce verde. Perché il semaforo verde? La spettroscopia è una disciplina che si occupa dell'analisi dell'emissione di luce e altre radiazioni mediante il contatto con una determinata sostanza. Tralasciando la secca spiegazione, la cosa importante è che la spettroscopia ci dice che il sangue assorbe la luce verde più facilmente perché i colori rosso e verde si trovano sul lato opposto dello spettro dei colori.

Un sensore ottico sul retro dello smartwatch rileva la luce riflessa, in modo molto simile a uno spettrometro. La differenza principale è che negli orologi la sorgente luminosa e il rilevatore sono posti sullo stesso lato, mentre negli spettrometri sono uno di fronte all'altro. Lo svantaggio di questo layout è che la misurazione della frequenza cardiaca può essere meno precisa con gli orologi.

La misurazione della frequenza cardiaca utilizzando la luce è chiamata fotopletismografia. Il dispositivo misura la variazione della concentrazione dei globuli rossi quando i vasi sanguigni si espandono e si contraggono: i vasi sanguigni dilatati assorbono più luce verde e i vasi sanguigni contratti assorbono meno luce verde. Il rilevatore misura la luce riflessa e l'algoritmo del software converte i cambiamenti nell'intensità della luce nella frequenza delle palpebre.

Oltre ai sensori, gli orologi intelligenti più recenti dispongono anche di un software avanzato che consente loro di rilevare potenziali problemi, come la fibrillazione atriale (battito cardiaco irregolare), in modo abbastanza accurato e tempestivo. Naturalmente ci sono delle deviazioni, poiché le misurazioni possono essere influenzate da diversi fattori. Anche diverse pigmentazioni della pelle possono portare a piccole deviazioni.

Come gli orologi intelligenti misurano la saturazione di ossigeno nel sangue (SpO₂)?

SpO₂ o la saturazione di ossigeno è la percentuale di emoglobina nel sangue legata all'ossigeno. In altre parole, è una misura che indica la quantità di ossigeno trasportato attraverso il sangue. Questa è una delle metriche più recenti trovate su smartwatch e altri dispositivi indossabili. È anche molto efficiente dal punto di vista energetico e non influisce in modo significativo sull'autonomia delle batterie di tali dispositivi.

Ha preso vita durante la pandemia di coronavirus quando è stato in grado di rivelare se i livelli di ossigeno erano scesi al di sotto dei livelli raccomandati (95-100 % è ottimale; sotto 70 % è pericoloso per la vita). La misurazione più accurata di SpO₂ avviene mediante prelievo di sangue, ma gli operatori sanitari utilizzano più spesso la pulsossimetria. Sul dito o sul lobo dell'orecchio viene posizionato un dispositivo ottico che, analogamente alla misurazione della frequenza cardiaca, dirige la luce attraverso la pelle verso il rilevatore.

Una luce verde viene utilizzata per misurare il polso, mentre SpO₂ e rosso e infrarosso. L'emoglobina ossigenata (satura di ossigeno) assorbe la luce IR e trasmette la luce rossa, mentre l'emoglobina deossigenata trasmette la luce IR e assorbe la luce rossa. Gli orologi intelligenti misurano la SpO₂ mediante pulsossimetria calcolando la differenza tra assorbimento IR e luce rossa. In questo modo, ad esempio, puoi scoprire se soffri di apnea notturna.

Come funziona l'ECG su uno smartwatch?

Uno smartwatch con funzione ECG (Apple Watch Ultra, Huawei Watch GT 4...) utilizza un sensore a elettrodo singolo per misurare l'attività elettrica del cuore, situato sul lato inferiore dell'orologio. Questo tipo di ECG è in grado di rilevare un ritmo cardiaco irregolare, ma non può rilevare, ad esempio, l'ipertrofia ventricolare sinistra, che solo un ECG a 12 derivazioni può rilevare. Sebbene l'ECG su uno smartwatch non possa essere accurato e informativo come un ECG a 12 derivazioni, è comunque conveniente per l'accesso immediato ai dati sulla salute del cuore.

Come funziona un magnetometro?

Un magnetometro è un dispositivo che misura le forze magnetiche. Viene utilizzato insieme ad accelerometri e giroscopi in un dispositivo chiamato unità di misura inerziale (IMU). Questa combinazione di sensori aiuta il dispositivo a capire come si muove e come è orientato nello spazio.

Un magnetometro misura l'effetto del campo magnetico terrestre sul dispositivo. Questo è simile a ciò che fa una bussola. Questo sfrutta il principio dell'effetto Hall, secondo il quale, se un conduttore percorso da corrente viene posto in un campo magnetico, sul conduttore viene creata una tensione perpendicolare alla corrente e al campo magnetico. Gli elettrodi nel conduttore collassano (la loro densità cambia) a causa del campo magnetico, determinando una lettura della tensione. Se cambiano le forze applicate, la lettura della tensione cambia proporzionalmente, indicando il valore e la direzione del campo magnetico.

Utilizzando tutti e tre i sensori, gli smartwatch possono tracciare e interpretare meglio i movimenti di chi lo indossa. Il magnetometro aggiunge un ulteriore livello di informazioni direzionali utili per un rilevamento del movimento più accurato.

In che modo gli smartwatch utilizzano il GPS?

Il GPS è uno degli elementi più importanti di uno smartwatch (e di un telefono). È logicamente utilizzato per la navigazione. I dati vengono inviati a un satellite dove vengono misurate la posizione e l'ora esatte. Questo funge quindi da trasmettitore e ricevitore, trasmettendo i dati al sensore dello smartwatch e registrando la posizione. Così, gli orologi intelligenti, ad esempio, misurano la distanza percorsa (con l'aiuto di un sensore di accelerazione e di un giroscopio). Nel calcio, hai già notato che nelle analisi viene spesso utilizzata una mappa di dove un determinato giocatore ha trascorso la maggior parte del tempo. Questo grazie al GPS, che può mettere a dura prova la batteria del dispositivo indossabile.

Come funzionano i sensori di pressione?

I sensori di pressione misurano la forza che agisce su qualcosa, ad esempio un dispositivo o un'attrezzatura sportiva. Esistono diversi sensori di pressione, che di solito funzionano sulla base di estensimetri o estensimetri.

Negli orologi intelligenti troviamo sensori di pressione barometrica (barometri) che misurano l'aria atmosferica nell'ambiente, consentendo loro di determinare l'altitudine. Possono anche aiutare a prevedere i cambiamenti meteorologici, ma non è questa la loro funzione negli smartwatch.

Esistono anche sensori di pressione che utilizzano questi ponti di Wheatstone, che sono un tipo speciale di circuito elettrico per rilevare i cambiamenti di resistenza. Vengono utilizzati nelle attrezzature sportive per misurare la forza di contatto sulla palla o per monitorare il movimento dei giocatori. Possono anche essere utilizzati per analizzare l’andatura, ad esempio per misurare la forza esercitata su diverse parti del piede, il che può aiutare a migliorare l’agilità o ridurre il rischio di lesioni.

Come misurano lo stress gli smartwatch?

Oggi, la maggior parte degli smartwatch, come la serie Samsung Galaxy Watch, utilizza la tecnologia della variabilità della frequenza cardiaca (HRV) per valutare lo stress. Quest'ultimo misura l'intervallo tra i battiti cardiaci ed è importante quanto il numero di battiti al minuto nella valutazione dello stress fisiologico. L’HRV è controllato dal nostro sistema nervoso autonomo, la parte del nostro sistema nervoso che regola automaticamente la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna e la frequenza respiratoria in risposta a fattori di stress esterni. Se il livello della HRV è basso (se ci sono differenze tra i battiti cardiaci), ciò può indicare che il nostro sistema nervoso è in uno stato di maggiore stress. Se l’HRV è elevato (intervalli tra i battiti più vari), è più probabile che siamo rilassati.

Alcuni smartwatch (Fitbit Sense, Pixel Watch 2, ecc.) non utilizzano il metodo HRV, ma un sensore EDA dedicato, cioè un sensore per l'attività elettrodermica, che analizza i modelli di cambiamenti nella conduttività elettrica della pelle causati dalla sudorazione. Tiene conto anche della HRV, della frequenza cardiaca e della temperatura cutanea. Con l'aiuto di algoritmi e del sensore EDA, gli smartwatch cercano cambiamenti improvvisi in questi indicatori, calcolano i livelli di stress e ti avvisano.

Questi sono i principali sensori che incontrerai su uno smartwatch o altro dispositivo indossabile. Ora sai come funzionano e potrai capire meglio quando i dati sono accurati e perché ci sono delle deviazioni. Se desideri approfondire il funzionamento dei diversi sensori, di seguito ho elencato alcuni collegamenti a ricerche e articoli che esplorano il funzionamento di sensori e dispositivi indossabili.