Negli ultimi anni si è assistito ad un rapido incremento nello sviluppo dei sistemi indossabili intelligenti. Stiamo parlando degli Smart Wearable Systems, ovvero quei dispositivi indossabili modellati attorno al corpo umano con lo scopo di rendere il più possibile fruibile e meno invasiva la tecnologia al servizio dell’utente. Caratteristica fondamentale è che è proprio il corpo umano ad essere utilizzato come supporto naturale al loro funzionamento: considerando che circa il 90% della nostra pelle è a contatto con i tessuti, quale migliore scelta se non quella di integrare sensori e circuiti elettronici nelle fibre tessili e, più in generale, nei diversi materiali di oggetti indossabili?
Un po’ di storia
Il concetto di “elettronica indossabile” non è nuovo, anzi il primo vero e proprio dispositivo wearable risale agli anni ’60 del secolo scorso.
Fu Claude E. Shannon, uno dei più grandi geni matematici di tutti i tempi, insieme a Edward O. Thorp, professore di matematica affascinato dalle teorie matematiche legate al gioco d’azzardo, a mettere a punto il primo dispositivo.
I due comprano una roulette e iniziano i loro esperimenti. Dotati di telecamere e sensori studiano la fisica della roulette, curve e traiettorie della pallina, tempi e velocità di rotazione del piatto. Realizzano così un complesso algoritmo in grado di aumentare del 40% la probabilità di vincita al tavolo. Progettano e costruiscono un microcomputer grande come un pacchetto di sigarette posizionato all’interno di una scarpa e collegato con un sottilissimo filo ad un apparecchio acustico. Ad ogni giro di ruota il microcomputer veniva comandato attraverso l’alluce in modo che memorizzasse i tempi di passaggio della pallina su determinati punti di riferimento. Con questi dati il dispositivo restituiva, sotto forma di nota musicale, il settore della ruota nel quale si sarebbe fermata la sfera.
L’esperimento si rivelò una fatica pazzesca, per la tensione e per le puntate, ma soprattutto per problemi tecnici, primo fra tutti il sottilissimo filo che collegava l’auricolare che continuava a spezzarsi.
Perdevamo parecchio tempo a prepararci nella stanza d’albergo per indossare e calibrare l’apparecchiatura. Era una fatica terribile mettere tutto insieme. Un procedimento tanto semplice concettualmente quanto lungo e noioso in pratica.
Edward O. Thorp
Tuttavia sembrava funzionare così bene che il Nevada lo mise fuori legge nel 1985!
I nuovi indossabili
Fortunatamente oggi i dispositivi indossabili stanno diventando sempre più confortevoli, anche grazie allo sviluppo di nuovi polimeri flessibili e alla progressiva miniaturizzazione dei sensori e dei circuiti elettronici. E sono anche svariati i campi in cui trovano applicazione, che vanno dall’ entertainment, al controllo dell’attività fisica, al monitoraggio biomedico. Basti pensare al successo di prodotti pioneristici come i Google Glass, gli occhiali a realtà aumentata frutto di un programma di ricerca e sviluppo di Google Inc., il cui debutto ufficiale avviene nel 2014 e che promettono fin da subito un’esperienza d’uso in grado di cambiare la vita. Le funzionalità sono veramente tante: controllo dei social network, consultazione di siti web e notizie online, visualizzazione di mappe e indicazioni stradali, videoconferenze, possibilità di scattare foto e realizzare video, lettura di messaggi e possibilità di inviarne di nuovi.
Nonostante la promessa di rivoluzionare completamente l’utilizzo di internet e dei suoi servizi e le ingenti quantità di denaro spese, dopo poco l’intero progetto sembra naufragare, anche se in realtà, i Google Glass sono solo spariti dall’attenzione dei siti di tecnologia e dei media, ma hanno comunque continuato ad avere vita in ambienti totalmente diversi da quelli per cui erano stati pensati, ad esempio negli ambienti di lavoro. Aziende come GE Aviation (e molte altre), negli ultimi due anni, hanno previsto l’ utilizzo dei Google Glass, consentendo agli operai di svolgere operazioni di manutenzione e di routine con le mani completamente libere. Le istruzioni, infatti, appaiono sul display del gadget senza la necessità di dover consultare tablet e manuali.
Smart Watch e Fitness-tracker
Tra gli esempi più noti poi della generazione dei wearable sensors è d’obbligo menzionare gli Smart Watches, orologi “intelligenti”, oggi più che mai alla portata di qualsiasi tipo di tasche. Consentono la connessione, attraverso tecnologia Bluetooth, con il proprio smartphone permettendo di gestire chiamate, notifiche, immagini, riproduzione musicale, indicazioni stradali e il tutto senza togliere il proprio smartphone dalla tasca. Esistono inoltre alcuni modelli che consentono di fare quanto appena detto anche avendo dimenticato lo smartphone a casa. Ormai tutte le più grandi aziende del settore hi-tech possiedono un modello di smartwatches. Ci sono poi i così detti fitness-tracker, che consentono di monitorare i movimenti, le calorie bruciate, i metri percorsi e la qualità del sonno direttamente sul display del bracciale oppure sullo smartphone.
Wearable per applicazioni biomedicali
Tuttavia i sensori indossabili sono molto più di tutto questo. Sono in grado di monitorare attività di tipo fisiologico quali la temperatura corporea, il battito cardiaco, l’attività cerebrale e altri parametri che possono essere impiegati per facilitare le cure domiciliari di pazienti. Siamo giunti nell’era in cui attraverso l’utilizzo di sensori è possibile monitorare in tempo reale i segnali elettrici e biochimici dell’organismo o di rilevare la presenza di diverse malattie, tumori compresi. Ci lavorano ormai in qualsiasi regione del globo terrestre e, nella maggior parte dei casi, i risultati sono davvero sorprendenti, come nel caso di una ricerca condotta da un team di nanoingegneri e bioingegneri del Center for Wearable Sensors di San Diego, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature.
Chem-Phys
È stato realizzato per la prima volta un dispositivo in grado di rilevare contemporaneamente parametri chimici, come i livelli di lattato, e segnali elettrofisiologici.
Il nostro obiettivo era quello di creare un dispositivo indossabile simile al Tricorder, il supercomputer della famosa serie tv Star Trek, in grado di analizzare in pochi secondi un’intera gamma di informazioni fisiche e biochimiche del corpo, spiega Patrick Mercier, uno degli autori del lavoro.
La nostra ricerca dimostra, per la prima volta al mondo, la fattibilità di un dispositivo del genere.
Il dispositivo è pensato per essere indossato sulla superficie anteriore del torace. Si tratta di un cerotto comprendente un biosensore a tre elettrodi per il lattato, circondato da una coppia di elettrodi per il prelievo del segnale elettrocardiografico.
Il cerotto è alimentato con una batteria agli ioni di litio. E’ fabbricato sfruttando un processo di stampa serigrafica su uno strato flessibile di poliestere che può essere applicato direttamente sulla pelle, adattandosi perfettamente per fornire in uscita un segnale a basso rumore. I dati raccolti vengono inviati in modalità wireless ad uno smartphone o ad un computer grazie ad un sistema della Texas Instruments per la comunicazione e l’elaborazione (Texas Instrument (TI) CC2541 BLE System-on-Chip).
Tra i potenziali utilizzatori di questi sensori ci sono sicuramente gli atleti, che potrebbero usufruirne per ottimizzare i regimi di allenamento possono, ma anche i pazienti affetti da malattie cardiache, che potrebbero così beneficiare di un controllo remoto da parte dei medici.
E-Skin
Arriva invece dall’Università di Tokio la “pelle bionica” (e-skin), in grado di “sentire” i tumori. Si presenta come uno schermo ultrasottile, dello spessore di appena 3 micron, da applicare sulla pelle.
L’idea dello scienziato che ha messo a punto la e-skin, Takao Someya, è quella di riuscire a realizzare dei particolari guanti, o dei tatuaggi, costituiti da pelle bionica. L’obiettivo è potenziare le capacità sensoriali dei medici, consentendo ad esempio di percepire un nodulo tumorale, rilevando la differenza di densità con il tessuto sano, o anche consentendo di rilevare i livelli di ossigenazione dei pazienti durante un intervento chirurgico.
Nell’ultimo anno gli stessi ricercatori, come riporta la rivista Science Advances, hanno realizzato una pelle elettronica ancora più sottile, spessa meno di due micrometri, alla quale sono stati fatti aderire degli elettrodi trasparenti ITO (indium tin oxide). A partire da questi ultimi, i ricercatori giapponesi sono riusciti a realizzare dei LED polimerici spessi solo tre micrometri (PLED) e dei fotorilevatori organici (OPD) da applicare direttamente sulla pelle. Lo speciale film realizzato è abbastanza robusto da resistere al movimento naturale degli arti senza rompersi, e può quindi essere applicato su qualsiasi parte del corpo. E’ in grado di visualizzare un numero o una lettera grazie al “display” a sette segmenti a PLED.
Sensore per l’idratazione
Un altro esempio rilevante di sistema indossabile è il sensore in grado di misurare l’idratazione della pelle. Sviluppato dagli ingegneri della North Carolina State University, potrebbe avere innumerevoli applicazioni sia in campo medico che nella vita di tutti i giorni. I ricercatori hanno comunque segnalato delle specifiche applicazioni per le persone maggiormente soggette a disidratazione, come il personale militare, i vigili del fuoco, gli atleti e gli anziani.
Il sensore, descritto sulla rivista Advanced Materials Healthcare, è costituito da due elettrodi in un composito di polimero elastico che contiene nanofili d’argento conduttivi. Gli elettrodi consentono di monitorare le proprietà elettriche della pelle, che variano in base all’idratazione di un individuo in maniera abbastanza prevedibile, constentendo quindi di rilevarne le alterazioni. Il sensore è stato integrato all’interno di due diverse tipologie di sistemi indossabili: un cerotto adesivo che può essere posizionato sul petto ed un orologio da polso. In entrambi i casi i dati vengono trasmessi in modalità wireless a computer, tablet o smartphone. In tal modo i medici all’interno delle strutture ospedaliere potrebbero usufruire di un sistema monitoraggio continuo dei parametri rilevati sui pazienti.
Altre tipologie di wearable
Altro discorso è quello degli indossabili in senso letterale, cioè l’elettronica integrata nei capi di abbigliamento. Sono in via di sperimentazione capi di abbigliamento, (jeans, polo, t-shirt, giacche) che dispongono di circuiti e sensori elettronici integrati all’interno del tessuto e della struttura (pieghe, cuciture). Tuttavia questo è un argomento troppo vasto e interessante, che meriterebbe di essere trattato in un articolo dedicato.
In quanti utilizzano i wearable devices?
Uno studio condotto da Kantar Wordpanel rivela che nei paesi più influenti del mercato europeo (Italia, Germania, Francia e Regno Unito), la percentuale di utenti che utilizzano un wearable è mediamente del 9,2%. Di questi, soltanto il 3,8% possiede uno smart-watch, dimostrando una preferenza di acquisto verso i fitness tracker. Situazione diversa invece negli USA. Sempre secondo Kantar, il 15,6% degli utenti possiede uno smartwatch o una fitness band: si tratta comunque di una cifra in crescita. Anche qui gli smart watch sono quelli che godono di minor fortuna (solo il 4,2% degli utenti statunitensi ne ha uno).
Quali sono le aspettative?
Un’analisi condotta da Frost & Sullivan, intitolata “Wearable technologies in clinical and consumer health forecast to 2020”, rileva che il mercato globale dei dispositivi indossabili in ambito medico ha prodotto entrate per 5,1 miliardi di dollari nel 2015 e stima che questa cifra raggiungerà quota 18,9 miliardi di dollari nel 2020, con un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 29,9%. Prevede inoltre che i dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute dei consumatori cresceranno ad un CAGR del 27,8%. Gli indossabili per uso medico e clinico, invece, cresceranno ad un CAGR del 32,9%.
Gli analisti IDTechEx stimano un mercato di oltre 40 miliardi nei prossimi anni in crescita, per raggiungere oltre 100 miliardi di dollari entro il 2023, prima di un rallentamento entro il 2026.
Si stima un tasso di crescita annuale composto (CAGR) di circa il 23% nel 2021. La tecnologia indossabile è destinata dunque ad avanzare sempre di più poichè gli utenti richiedono sempre più dispositivi tecnologici all’avanguardia.
In conclusione
I benefici potenziali dei dispositivi indossabili sono molteplici, dal settore dei servizi a quello medico. Tali benefici si ripercuotono non soltanto sulla salute del paziente, ma anche in termini economici sul Sistema Sanitario Nazionale. Ottenere un set di parametri vitali da sensori indossabili, rappresenta un nodo cruciale non soltanto nel trattamento di patologie croniche, ma anche nella loro prevenzione. Questo consentirebbe di spostare il target della spesa sanitaria dal trattamento alla prevenzione della malattia, o comunque all’insorgenza della fase acuta della stessa.
La tecnologia indossabile sta già facendo passi rivoluzionari, perciò non v’è alcun dubbio: IL FUTURO E’ WEARABLE!
Riferimenti e approfondimenti:
-
Wearable, la tecnologia da indossare – focus.it
-
Google Glass, tutto sugli occhiali Android – webnews.it
-
Wearable Technologies in Clinical and Consumer Health, Forecast to 2020 – frost.com
-
La seconda vita dei Google Glass – ilpost.it
-
A smart torque wrench and Google Glass improve GE Aviation mechanics’ efficiency by 8-12% – techrepublic.com
-
Altmetric: 1023Citations: 37More detail Article | OPEN A wearable chemical–electrophysiological hybrid biosensing system for real-time health and fitness monitoring – nature.com
-
Ultraflexible organic photonic skin – sciencemag.org
-
Wearable sensor measures skin hydration – theengineer.co.uk
-
A Wearable Hydration Sensor with Conformal Nanowire Electrodes – wiley.com
-
Le aspettative di mercato dei dispositivi indossabili – emcelettronica.com
