智能手表及其传感器如何工作？

Toda le redki se vprašajo, kako pametne ure delujejo oziroma bolje rečeno, kako delujejo senzorji pametnih ur. Tudi sam se nisem nikoli poglabljal v to. Zavedal sem se, kateri senzorji so običajno vgrajeni in približno poznal teorijo, kako delujejo, toda nikoli nisem uspel najti spodbude, da bi prišel zadevi do dna.

Ideja za članek se je porodila, ko sem se na letalu spraševal, zakaj mi ura na letalu ne prikaže pravilne nadmorske višine. Kolega novinar mi je razložil, da se uravnava glede na pritisk. In ker je pritisk v kabini prilagojen za bivanje na več tisočmetrski višini, mi je bilo povsem razumljivo, zakaj mi je pametna ura prikazovala, da sem na višini Šmarne gore.

Od tam naprej sem se začel spraševati, kako ura meri srčni utrip, kako korake in nasičenost krvi s kisikom, kako stres in vse ostale podatke. Glede na to, da so nosljive naprave postale več milijardna industrija, in da se bosta razvoj in uporaba le še pospešila, je smotrno, da razumemo, kaj se dogaja v ozadju tehnologije, ki nas spremlja od jutra do večera – in pogosto tudi ponoči.

Kateri senzorji so vgrajeni v pametne ure?

Pametne ure so izredno vsestranske naprave, v nekaterih pogledih celo bolj kot pametni telefoni. Uporabljamo jih lahko za spremljanje obvestil, sporočil, klicev, spremljanje telesnega stanja in napredka ter tudi za igranje iger, čeprav ne gre ravno za briljantno izkušnjo. Nas najbolj zanima analiza telesa in delovanje pametne ure med telovadbo ter tudi med mirovanjem (spanjem). Vse to omogočajo senzorji.

• Senzor pospeškov meri pospešek ali silo v treh dimenzijah: x, y in z. Zaznava lahko statični (gravitacijski) in dinamični (gibanje ali vibracije) pospešek.
• Žiroskop za razliko od senzorja pospeškov meri izključno kotne pospeške.
• Senzor srčnega utripa razumljivo skrbi za merjenje srčnega utripa med vadbo in mirovanjem.
• GPS je senzor, ki s pomočjo satelitskih signalov določi lokacijo uporabnika.
• Barometer ali senzor zračnega tlaka meri zračni tlak, s katerim se lahko določi nadmorska višina.

To je groba predstavitev, kateri senzorji so običajno vgrajeni v pametne ure. Odvisno od ure lahko v njej najdemo še EKG, senzor globine, temperaturni senzor, magnetometer in podobno. Oglejmo si podrobneje, kako deluje vsak posamezni senzor.

Kako pametne ure štejejo korake? Kako delujeta senzor pospeškov in žiroskop?

10.000 korakov je tista magična številka, ki je začrtana v skoraj vsaki pametni uri ali podobni fitnes nosljivi napravi. Pojavila se je na Japonskem daljnega leta 1964 in od takrat velja za de-facto številko za doseganje optimalnega zdravja. Ali je ta številka res magična meja, se tokrat ne bomo poglabljali. Nekateri strokovnjaki se strinjajo, drugi pa zagovarjajo, da tudi manjše število korakov (okoli 7000) vodi v podobne zdravstvene učinke.

Kakorkoli, kako pametna ura šteje korake? Pri tem si pomaga s senzorjem pospeškov in žiroskopom.

Senzor pospeškov zajame različne podatke, kot sta na primer hitrost in pospešek, katere se potem lahko uporabi za različne namene, kot na primer za izračun pretečene razdalje (s pomočjo GPS-a), povprečnega tempa, dolžine koraka in podobno. Senzor pospeškov se lahko uporablja tudi za spremljanje vzorcev spanja, na podlagi katerih je možno prepoznati epileptične napade. Čeprav večina pametnih ur te zmogljivosti nima, se tovrstni senzorji vseeno uporabljajo v določenih medicinskih napravah.

Največja omejitev senzorjev pospeška je meja, do katere lahko natančno merijo pospešek. Ura lahko ima tudi težave tudi pri razlikovanju med določenimi aktivnostmi ali gestami, zato lahko pride do netočnosti pri štetju korakov. Na primer, če boste na mestu mahali z rokami, bodo nekateri senzorji to zaznali kot korak.

Obstajata dva tipa senzorjev:

• Piezoelektrični, ki za izvajanje meritev uporabljajo majhne kristale. Ko ti kristali zaznajo silo, se spremenijo in ustvarijo električni signal, ki sporoči, kako močna je bila.
• Kapacitivni senzorji delujejo na principu sprememb v električni kapacitivnosti. Imajo dve mikrostrukturi, ki se med pospeškom premikata druga proti drugi. To spremeni električno kapacitivnost med njima in senzor to spremembo zazna.

Zaradi teh lastnosti in majhnosti so danes senzorji skoraj vedno prisotni v pametnih urah in tudi telefonih. Če povzamem, pametnim uram in ostalim napravam pomagajo razumeti, kako se uporabnik premika (tek, hoja, mirovanje, skok …).

Kako pametne ure merijo srčni utrip? Kako deluje optični senzor srčnega utripa?

Končno boste dobili razlago, zakaj pod uro vedno utripa zelena lučka. Pametne ure imajo na spodnji strani običajno optični senzor, ki s pomočjo zelene svetlobe poskuša izmeriti srčni utrip uporabnika. Zakaj ravno zelena svetloba? Spektroskopija je disciplina, ki se ukvarja z analizo emisij svetlobe in drugih sevanj s stiku z določeno snovjo. Če preskočimo suhoparno razlago, je pomembno to, da nam spektroskopija pove, da kri lažje absorbira zeleno svetlobo, ker sta rdeča in zelena barva na nasprotni strani barvnega spektra.

Optični senzor na zadnji strani pametne ure zazna odbito svetlobo, kar je zelo podobno spekrometrom. Glavna razlika je, da sta pri urah vir svetlobe in detektor nameščena na isti strani, pri spektrometrih pa drug nasproti drugega. Slaba stran te postavitve je, da je pri urah lahko merjenje srčnega utripa manj natančno.

Merjenje srčnega utripa z uporabo svetlobe se imenuje fotopletizmografija. Naprava meri spremembo koncentracije rdečih krvničk ob širjenju in krčenju krvnih žil – razširjene krvne žile absorbirajo več zelene svetlobe, skrčene krvne žile pa manj zelene svetlobe. Detektor meri odbito svetlobo, programski algoritem pa spremembe v jakosti svetlobe pretvori v hitrost vašega utripa.

Najnovejše pametne ure imajo poleg senzorjev tudi napredno programsko opremo, kar jim omogoča dokaj natančno in predčasno odkrivanje morebitnih težav, kot je na primer atrijska fibrilacija (nepravilen srčni utrip). Seveda prihaja do odstopanj, saj na meritve lahko vpliva več faktorjev. Že različne pigmentacije kože lahko privedejo do manjših odstopanj.

Kako pametne ure merijo nasičenost krvi s kisikom (SpO₂)?

SpO₂ ali nasičenost s kisikom je odstotek hemoglobina v krvi, ki je vezan na kisik. Drugače povedano je to meritev, ki pove, koliko kisika se prenaša po krvi. To je ena izmed novejših meritev, ki jo najdemo na pametnih urah in drugih nosljivih napravah. Je tudi energijsko zelo učinkovita in ne vpliva bistveno na avtonomijo baterij tovrstnih naprav.

Zares zaživela je med pandemijo koronavirusa, ko je lahko razkrila, ali je raven kisika padla pod priporočeno raven (95-100 % je optimalno; pod 70 % je življenjsko nevarno). Najbolj natančno merjenje SpO₂ je z odvzemom krvi, vendar zdravstveni delavci najpogosteje uporabljajo pulzno oksimetrijo. Na prst ali ušesno mečico se namesti optična naprava, ki podobno kot pri merjenju srčnega utripa usmerja svetlobo skozi kožo proti detektorju.

Pri merjenju utripa se uporablja zelena svetloba, pri SpO₂ pa rdeča in infrardeča. Oksigenirani hemoglobin (nasičen s kisikom) absorbira IR svetlobo in prepušča rdečo svetlobo, medtem ko deoksigenirani prepušča IR svetlobo in absorbira rdečo svetlobo. Pametne ure merijo SpO₂ s pulzno oksimetrijo z izračunom razlike med IR absorpcijo in rdečo svetlobo. Tako lahko na primer odkrijete, ali imate spalno apnejo.

Kako deluje EKG na pametni uri?

Pametna ura s funkcijo EKG (Apple Watch Ultra, Huawei Watch GT 4 …) uporablja senzor z eno elektrodo za merjenje električne aktivnosti srca, ki se nahaja na spodnji strani ure. Ta vrsta EKG lahko zazna nepravilen srčni ritem, ne more pa zaznati na primer hipertrofije levega prekata, ki ga lahko odkrije samo 12-kanalni EKG. Čeprav EKG na pametni uri ne more biti tako natančen in informativen kot 12-kanalni EKG, je vseeno priročen za takojšen dostop do podatkov o zdravju srca.

Kako deluje magnetometer?

Magnetometer je naprava, ki meri magnetne sile. Uporablja se skupaj z merilci pospeška in giroskopi v napravi, ki se imenuje inercialna merilna enota (IMU). Ta kombinacija senzorjev pomaga napravi razumeti, kako se premika in kako je usmerjena v prostoru.

Magnetometer meri, kako Zemljino magnetno polje vpliva na napravo. To je podobno temu, kar počne kompas. Pri tem se uporablja načelo Hallovega učinka, po katerem se, če je vodnik, po katerem teče tok, postavljen v magnetno polje, na vodniku, ki je pravokoten na tok in magnetno polje, ustvari napetost. Elektrodi v vodniku se zaradi magnetnega polja porušita (spremeni se njuna gostota), kar povzroči odčitavanje napetosti. Če se spremenijo uporabljene sile, se sorazmerno spremeni tudi odčitavanje napetosti, kar pokaže vrednost in smer magnetnega polja.

Z uporabo vseh treh senzorjev lahko pametne ure bolje sledijo in interpretirajo gibanje uporabnika. Magnetometer dodaja dodatno raven informacij o smeri, ki je koristna za natančnejše sledenje gibanja.

Kako pametne ure uporabljajo GPS?

GPS je med pomembnejšimi elementi pametne ure (in telefona). Logično se uporablja za navigacijo. Podatki se pošljejo na satelit, kjer se izmerita natančna lokacija in čas. Ta potem deluje kot oddajnik in sprejemnik, pri čemer se podatki vrnejo nazaj v senzor pametne ure in zabeleži se lokacija. Tako pametne ure na primer izmerijo pretečeno razdaljo (s pomočjo senzorja pospeškov in žiroskopa). Pri nogometu ste tudi že opazili, da se pri analizah pogosto uporablja zemljevid, kje je določen igralec preživel največ časa. To je zasluga GPS-a, ki pa lahko zelo obremeni baterijo nosljive naprave.

Kako delujejo senzorji pritiska?

Senzorji pritiska merijo, kako močne sile delujejo na nekaj, na primer na napravo ali na športno opremo. Obstaja več različnih senzorjev pritiska, ki običajno delujejo na podlagi tenzometrov oziroma merilnikov napetosti.

V pametnih urah najdemo barometrične senzorje pritiska (barometre), ki merijo atmosferski zrak v okolju, kar jim omogoča, da ugotovijo nadmorsko višino. Lahko pomagajo napovedati tudi vremenske spremembe, vendar v pametnih urah to ni njihova funkcija.

Obstajajo tudi senzorji pritiska, ki uporabljajo t. i. Wheatstone most, ki je posebna vrsta električnega vezja za zaznavanje sprememb upora. Uporabljajo se v športni opremi za merjenje kontaktne sile na žogo ali za spremljanje gibanja igralcev. Lahko se uporabljajo tudi za analizo hoje, na primer za merjenje sile, ki se izvaja na različnih delih stopala, kar lahko pomaga izboljšati agilnost ali zmanjšati tveganje poškodb.

Kako pametne ure merijo stres?

Danes večina pametnih ur, na primer serija Samsung Galaxy Watch, za ocenjevanje stresa uporablja tehnologijo spremenljivosti srčnega utripa (HRV). Slednji meri interval med srčnimi utripi in je pri ocenjevanju fiziološkega stresa enako pomemben kot število utripov, ki jih srce opravi na minuto. HRV nadzoruje naš avtonomni živčni sistem, del našega živčnega sistema, ki samodejno prilagaja utrip, krvni tlak in hitrost dihanja kot odziv na zunanje stresne dejavnike. Če je raven HRV-ja nizka (če obstajajo razlike med srčnimi utripi), je to lahko pokazatelj, da je naš živčni sistem v stanju večjega stresa. Če je HRV visok (intervali med utripi bolj raznoliki), je večja verjetnost, da smo sproščeni.

Nekatere pametne ure (Fitbit Sense, Pixel Watch 2 …) pa ne uporabljajo metode HRV-ja, ampak namenski senzor EDA oziroma senzor za elektrodermalno aktivnost, ki analizirajo vzorce sprememb električne prevodnosti kože, ki jih povzroča znojenje. Upošteva tudi HRV, srčni utrip in temperaturo kože. S pomočjo algoritmov in senzorja EDA pametne ure iščejo nenadne spremembe v teh kazalnikih in izračunajo nivoje stresa ter vas o tem opozorijo.

To so glavni senzorji, s katerimi se boste srečali na pametni uri ali drugi nosljivi napravi. Sedaj veste, kako delujejo in boste lahko bolje razumeli, kdaj so podatki natančni in zakaj prihaja do odstopanj. Če bi se radi še dodatno poglobili v delovanje različnih senzorjev, sem vam spodaj naštel nekaj povezav do raziskav in člankov, ki raziskujejo delovanje senzorjev in nosljivih naprav.