I wearable o dispositivi indossabili sono destinati a cambiare la nostra quotidianità in modo costante ma devono affrontare limiti legati alla privacy, alla sicurezza e sfide di progettazione perché raccolgano i dati come richiesto e funzionino negli ambienti in cui sono progettati per operare. Per migliorare le prestazioni e le funzioni e comprendere cosa accadrà in futuro occorre guardare soprattutto alla ricerca.
INTRODUZIONE
La tecnologia indossabile fa riferimento principalmente a dispositivi elettronici intelligenti che possono essere applicati sui vestiti o attraverso oggetti, direttamente sul corpo. Strumenti in grado di connettersi, dialogare con altri dispositivi, trasmettere, monitorare e rilevare informazioni e dati di ogni tipo a partire dai segnali vitali del nostro corpo. Sono dispositivi definiti, in molti casi, come “hands-free” perché non richiedono necessariamente un input manuale esterno per svolgere le proprie funzioni anche se l'utilizzo di una superficie touch è diventato frequente perché alcune funzioni integrate a tocco sono necessarie per innalzare il numero di attività eseguibili. Allo stesso tempo, i dispositivi sono in grado di affiancare o sostituirsi a tablet e smartphone per funzionalità ed anche per utilizzo. Negli ultimi anni, la continua ricerca verso soluzioni tecnologicamente avanzate e, al tempo stesso, la duttilità e diffusione nell’utilizzo dei dispositivi indossabili ha portato a realizzare sistemi sempre più innovativi integrando ambiti tecnologici nuovi come la fotonica che permette di gestire immensi flussi di informazioni su chip miniaturizzati. Ai più comuni wearables sono stati affiancati dispositivi sottocutanei, cerotti o tatuaggi intelligenti con il tentativo di ampliare non solo i settori in cui i dispositivi sono utilizzati, ma in particolare gli ambiti e le finalità di utilizzo. Questo ha permesso di sperimentare soluzioni nuove nel tentativo di ridurre drasticamente i limiti ancora esistenti.
Ma quali sono le caratteristiche principali dei dispositivi indossabili? Quali le sfide da affrontare per lo sviluppo futuro di queste tecnologie?
EVOLUZIONE
Oggi la tecnologia wearable è espressione dell'IoT moderno e, al tempo stesso, la crescita dei dispositivi indossabili va di pari passo con la ricerca e l’introduzione di nuovi materiali, componenti sempre più microscopici e in miniatura, piccoli processori e batterie efficienti e durevoli. In generale, un dispositivo indossabile è composto da un microcontrollore, un set di sensori, che possono variare in base ai parametri o agli eventi che si desidera monitorare e da un modulo di comunicazione wireless per interagire con un dispositivo di supporto. Ma non sempre è stato così. Negli anni ‘60 Edward Thorp, professore di matematica presso il M.I.T. (Istituto di Tecnologia del Massachusetts) e Claude Shannon, matematico ed ingegnere statunitense, diedero il via al concetto di wearable creando un primo computer indossabile. Si trattava di un dispositivo utilizzato per calcolare con anticipo, grazie ad un algoritmo, dove si sarebbe fermata la pallina di una roulette. Il dispositivo era stato inserito in una scarpa ed era in grado di trasmettere un segnale acustico ad un auricolare utilizzato da un'altra persona. Questo sistema ideato per eludere i controlli del Casinò, fruttò ai due un bel guadagno finché non furono scoperti e allontanati. Più di dieci anni dopo, nasceva il primo precursore di uno smartwatch, un orologio con capacità di calcolo molto simile ad una calcolatrice da polso con tasti che venivano digitati con una "penna". Negli anni '90, Steve Man ideò la Wearable Wireless Webcam montata davanti l'occhio destro, su un caschetto da moto e collegata ad un sistema di controllo a forma di zaino. L’idea era di acquisire le immagini viste dall'uomo e trasmetterle in real-time sul web. Negli anni 2000 arrivano i lettori MP3 e gli auricolari Bluetooth e si commercializzano la GoPro e il FitBit.
LE CATEGORIE DEI WEARABLE
I dispositivi indossabili in poco tempo hanno raggiunto una posizione di rilievo nel mercato dell'elettronica di consumo e sono sempre più presenti nella quotidianità, nello sport o nel tempo libero per poi trovare impiego in altre forme e funzionalità nella medicina e in ambito industriale o nella ricerca. In particolare, la pandemia da Covid-19 ha alimentato gli investimenti per monitorare la salute e garantire il distanziamento tanto da prevedere nel 2028 per il mercato globale wearable, in ambito sanitario, un giro di affari pari a 112 miliardi di dollari. I più conosciuti sono gli smartwatch con funzionalità prevalentemente di monitoraggio per il benessere ed il fitness, che integrano sistemi di navigazione GPS e puntano su un design in grado di garantire resistenza o impermeabilità. Gli smartwatch possono aiutare nella gestione delle malattie cardiovascolari, misurando il battito cardiaco ed effettuando un ECG o possono essere associati a sensori inerziali per catturare ed analizzare i gesti delle mani, mentre più specifici per il monitoraggio sportivo esistono i fitness tracker o activity tracker con funzionalità più ridotte ma anche con una maggiore autonomia e durata delle batterie. Questi ultimi sono sempre più completi e improntati verso la prevenzione.
Possono monitorare parametri come la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna e il livello di ossigeno o monitorare il sonno. Sono dispositivi indossabili gli smart eyewear, montati in display ottici per la realtà virtuale (VR) o la realtà aumentata (AR). I visori di volo head-up display (HUB) sono un esempio. Questi generano immagini grazie ad un piccolo computer, che vengono proiettate attraverso un collimatore ottico, ovvero una lente convessa o uno specchio concavo con tecnologia laser o con un display ottico. Gli occhiali intelligenti possono avere un design e funzionalità diverse tanto che generalmente vengono divisi in due tipologie: quelli strettamente legati a uno smartphone per vedere le immagini e quelli che richiedono una connessione cablata con un dispositivo di origine. I display degli occhiali intelligenti possono variare ed essere monoculari se le informazioni vengono visualizzate per un singolo occhio o realizzati più comunemente per entrambi gli occhi. Gli smart clothing includono dispositivi indossabili di abbigliamento sportivo ma anche medico o militare. L’abbigliamento diventa smart con l'inserimento di dispositivi IoT e attraverso la realizzazione di tessuti o e-textile "elettrificati" o realizzati con fibre a cavi che trasmettono e ricevono segnali (fibretonica). La fibra-cavo generalmente viene ricavata da filati di cotone, poliestere o da fibre elasticizzate come lo spandex, rivestiti e combinati con materiali conduttivi. Attraverso tecniche di ricamo, di tessitura e, in alcuni casi, di saldatura vengono inseriti nel tessuto e collegati a sensori. I componenti elettronici wireless utilizzati sono generalmente dispositivi elettronici convenzionali che devono essere imballati con cura per garantire la sicurezza ma anche vestibilità e comfort. Questo ha generato la necessità di avere, in particolare per l'ambito medico, uno standard comune che definisca metodologie, specifiche e le migliori pratiche per le varie applicazioni e prodotti tessili intelligenti. In particolare, serve uno standard internazionale, una certificazione comune di tessuti e indumenti intelligenti e un protocollo di convalida certificato e comune oltre a un controllo di qualità durante la produzione. LilyPad Arduino è nato proprio per essere utilizzato in progetti molto semplici di e-textiles e wearables.
Figura 1: LilyPad Arduino Main Board (fonte: Arduino)
Tra gli esempi passati di abbigliamento intelligente più conosciuti, ci sono i pantaloni con piastra wireless a induzione magnetica cucita in una delle tasche in modo da ricaricare il cellulare o i calzini intelligenti ideati per monitorare la temperatura dei piedi. La tecnologia NFC (Near Field Communication) è utilizzata nello smart clothing, ad esempio, con fili e sensori che funzionano come tag NFC. Questo è il risultato di una ricerca condotta dalla National University di Singapore: in prossimità di un lettore wireless, il tessuto intelligente genera un hotspot magnetico che permette la comunicazione fino a un metro di distanza. La fotocamera indossabile o wearable camera, invece, acquisisce dati utilizzati per analizzare una scena o riconoscere le interazioni e classificare le attività fisiche. Una fotocamera indossabile è dotata di più sensori come microfoni e unità di misurazione inerziale e di imaging. Oggi sono utilizzate per la sicurezza ma anche come rilevatori di attività fisica ed esistono modelli smart da mettere al polso.
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