I gioielli intelligenti sono una classe emergente di dispositivi indossabili che cerca di combinare moda e funzionalità integrando la sensoristica negli accessori di gioielleria. Ad oggi, le applicazioni in questo settore hanno esplorato l'utilizzo di collane intelligenti per il riconoscimento vocale silenzioso e il rilevamento dell'aderenza ai farmaci, braccialetti e anelli intelligenti per l'intervento rapido e il monitoraggio della salute. In questo articolo, andiamo a presentare i risultati di una ricerca che ha esplorato l'uso di orecchini intelligenti per la misura della temperatura corporea.
Introduzione
Integrando vari sensori e tecnologie di comunicazione, i gioielli intelligenti consentono una varietà di applicazioni per il rilevamento della salute, l'interazione utente e la condivisione delle informazioni. I dispositivi indossabili on-ear hanno visto un significativo aumento di popolarità in seguito alla diffusa vendita e adozione di auricolari wireless. L'orecchio è emerso come un luogo interessante per i dispositivi indossabili, offrendo opportunità uniche di rilevamento della salute, monitoraggio delle attività e interazione.
In passato, i ricercatori hanno esplorato il potenziale degli auricolari per rilevare i segnali della frequenza cardiaca, la pressione nell'orecchio e altri parametri. Tuttavia, i precedenti dispositivi indossabili on-ear focalizzati sul rilevamento fisiologico, erano grandi e pesanti, il che li rendeva poco pratici per l'uso quotidiano e difficili da integrare come parte degli accessori di moda. Al contrario, nella ricerca che andiamo a descrivere, il design dell'orecchino è specificamente ottimizzato per l'indossabilità grazie alla riduzione del fattore di forma, delle dimensioni e del peso che risultano quelle di un tipico orecchino, pur offrendo una durata della batteria di circa un mese. Inoltre, il circuito sottile e flessibile può essere facilmente incorporato nel design di accessori di moda.
Le ragioni della ricerca
I dispositivi indossabili con sensori hanno guadagnato una notevole popolarità negli ultimi anni e stanno diventando onnipresenti nella vita quotidiana. Gli indossabili sono spesso a contatto con il corpo dell’utente durante tutta la giornata e offrono opportunità uniche di interazione, rilevamento e monitoraggio. Nonostante siano stati esplorati vari accessori quali occhiali, braccialetti e abbigliamento, si è osservato che un’intera classe di accessori comuni indossati da milioni di persone ogni giorno è stata in gran parte ignorata: i gioielli. Gli orecchini, in particolare, rappresentano un'opportunità unica per il monitoraggio continuo dei segnali fisiologici. A differenza di cuffie e auricolari, gli orecchini vengono generalmente indossati continuamente per gran parte della giornata e potrebbero essere utilizzati come una piattaforma di rilevamento continuo.
Gli orecchini hanno il vantaggio di essere strettamente agganciati al corpo dell’utente e quindi sempre a contatto con la pelle. Inoltre, la vicinanza alla testa del portatore offre vantaggi chiave in termini di rilevamento. Emozioni come imbarazzo o altri fattori di stress possono far “diventare rossi” il viso e le orecchie di una persona, inducendo un notevole flusso sanguigno alla testa e alle orecchie. Un risultato di questi cambiamenti nel flusso sanguigno è un cambiamento di temperatura. La temperatura corporea è un segno vitale importante ma difficile da percepire continuamente. Tradizionalmente, si misura la temperatura con un termometro per via orale, ascellare, o cutanea. Tuttavia, l'uso di un termometro può fornire solo sporadiche misurazioni che potrebbero perdere importanti dati di temperatura. Ad esempio, la febbre può essere intermittente, portando a fluttuazioni della temperatura nel corso di un’infezione virale. Allo stesso modo, la capacità di misurare cambiamenti di temperatura a grana fine potrebbe fornire nuove informazioni sulle attività quotidiane. L'orecchino termico che andiamo a descrivere, è un orecchino intelligente e wireless, primo nel suo genere, che consente una soluzione indossabile affidabile per il monitoraggio continuo della temperatura.
L'Orecchino Termico
L'orecchino termico sfrutta la posizione unica degli orecchini in prossimità della testa, una regione con un accoppiamento stretto al corpo centrale a differenza degli orologi e di altri dispositivi indossabili che vengono indossati più liberamente sulle estremità (i dati sulla temperatura cutanea dalle estremità sono rumorosi a causa della distanza dal corpo centrale). Il prototipo hardware sviluppato sotto forma di orecchino misura una larghezza massima di 11,3 mm e una lunghezza di 31 mm, dal peso di 335 mg, e consuma solo 14,4 μW il che consente una durata della batteria, nei test, di 28 giorni. Questo fattore di forma è abbastanza piccolo e leggero da integrarsi in veri e propri gioielli dal design alla moda. Inoltre, un design a doppio sensore permette di differenziare il cambiamento della temperatura corporea dai cambiamenti ambientali. L'uso di questa nuova piattaforma di rilevamento ha permesso di scoprire che la temperatura misurata del lobo dell'orecchio risulta stabile entro ±0,32 °C durante i periodi di riposo. I test effettuati sugli utenti hanno dimostrato che la variazione relativa della temperatura del lobo dell'orecchio può identificare attività come mangiare, nonché eventi stressanti come parlare in pubblico e svolgere esami universitari.
Le sfide di design dell'orecchino
Lo sviluppo di un sensore wireless in un fattore di forma per orecchini presenta molti vantaggi di rilevamento, ma presenta anche molteplici sfide tecniche:
- Il sistema deve essere piccolo e leggero per un utilizzo confortevole, ma ciò introduce vincoli fondamentali sul consumo energetico del sistema, visto che anche le batterie devono essere di piccole dimensioni. Oltre alla capacità estremamente limitata, le batterie di piccole dimensioni hanno una produzione di corrente fortemente limitata rendendo difficile supportare le radio per la trasmissione wireless dei dati. Per progettare un sistema all'interno di questi rigorosi vincoli di forma, è stato sfruttato il SoC Bluetooth nRF52 altamente integrato, disponibile in una versione altamente miniaturizzata da 3 mm x 3 mm e il sensore di temperatura TI HDC2010 da 1,5 mm x 1,5 mm.
- Tuttavia, la batteria e il microcontrollore consumano da soli una parte significativa dello spazio disponibile. Pertanto, si è scelto di realizzare un orecchino pendente. In questo modo, i componenti più grandi, come il microcontrollore e la batteria, sono stati posizionati nella parte pendente dell'orecchino. Al contrario, la piccola unità di rilevamento (il sensore) della temperatura è stata posizionata direttamente sul lobo dell'orecchio del portatore.
- Inoltre, il consumo energetico del sistema deve essere ottimizzato per operare su un sistema miniaturizzato a batteria, ed essere così in grado di sostenere correnti continue di 0,25 mA, con picchi di 5 mA durante la trasmissione Bluetooth, e allo stesso tempo funzionare ininterrottamente per un mese.
Il design dell'orecchino
Ispirato agli orecchini pendenti, l'orecchino termico adotta un design simile. Il piccolo sensore di rilevamento della temperatura è posizionato sul lobo dell'orecchio, mentre i componenti più grandi come il microcontrollore e la batteria sono posizionati in modo discreto nella parte pendente. Questo design garantisce una struttura compatta e confortevole che mantiene l'aspetto di un tipico orecchino pendente.
In Figura 1 vengono mostrati i componenti chiave del sistema, come l'unità di rilevamento della temperatura, il microcontrollore, la comunicazione wireless e la batteria, che andiamo adesso a presentare.
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