Sfide future nella progettazione di dispositivi wearable

L’evoluzione tecnologica avvenuta nel mondo dei semiconduttori, trainata principalmente dalle innovazioni nel campo della microelettronica come le tecnologie MEMS, ha portato ad un forte sviluppo dei dispositivi di trasduzione dei segnali sempre più efficienti ed integrati. Infatti, grazie alla maggior riduzione delle dimensioni degli integrati e dei sensori/trasduttori e alla maggior presenza di soluzioni tecniche robuste e affidabili, ha portato alla nascita ed evoluzione dei dispositivi cosiddetti indossabili. Tali dispositivi sono tra i più svariati e presentano non solo oggetti da indossare come fitness tracker, occhiali smart e sensori, ma anche veri e propri tessuti che consentono di ottenere un sensore distribuito per realizzare funzioni e oggetti smart adatti ad innumerevoli esigenze: dall’atleta al paziente di una struttura ospedaliera, tutti possono trarre vantaggi dall’utilizzo di queste tecnologie emergenti.

Introduzione

I dispositivi indossabili nascono dalla naturale evoluzione tecnologica dei dispositivi tecnologici, che negli ultimi anni sono sempre più compatti e interconnessi, vista la necessità degli individui di acquisire e conoscere determinate informazioni sul proprio corpo. Di fatto, il campo di applicazione dei dispositivi indossabili è vasto e non si limita solo all’attività sportiva che tutti noi immaginiamo con i fitness tracker. Infatti, sempre maggiori applicazioni troviamo nel campo della medicina, della diagnostica e del benessere in generale. Oltretutto, anche settori quali la creatività o la comunicazione trovano benefici dall’adozione di dispositivi intelligenti indossabili. Con l’evoluzione tecnologica si è evoluta dunque anche la filosofia dietro al supporto sanitario sia in ambito sportivo che in ambito ospedaliero. Infatti, grazie all’evoluzione dei dispositivi indossabili e della tecnologia ad essi legata si è favorito un miglioramento delle tecniche di diagnostica e supporto dei pazienti per la prevenzione e la riduzione della pressione ospedaliera da parte delle persone più fragili.

L'architettura generale di un dispositivo indossabile è molto semplice: l'elemento fondamentale alla base dei wearable è la sensoristica che riesce ad acquisire le informazioni più svariate per renderle disponibili ad un elaboratore centrale e fornirle all’utente finale attraverso la trasmissione di questi dati. Seppur sembri semplice, in realtà la progettazione dei dispositivi indossabili è alquanto complicata in quanto per ottenere un dispositivo efficace ed efficiente c'è la necessità di fondere in un'unica applicazione tantissimi concetti multidisciplinari. Questo ha creato delle enormi sfide che i progettisti devono affrontare. Nonostante il progresso tecnologico e il costante miglioramento, queste risultano ancora aperte in quanto complesse e limitate dal contesto applicativo.

In questo articolo andremo ad affrontare nel dettaglio ciò che ritengo essere le principali sfide (Figura 1):

La catena di elaborazione delle informazioni acquisite
Reti e protocolli di comunicazione
I sistemi di elaborazione centrale
Il consumo energetico
La gestione di un ecosistema wearable

Per ognuno di questi aspetti verrà affrontata una breve trattazione che delinea i limiti e le sfide che i progettisti devono affrontare.

Figura 1: Le principali sfide

1. La catena di elaborazione delle informazioni acquisite

Nei dispositivi indossabili la funzionalità base è ricoperta dalla parte sensoristica che acquisisce le grandezze elettriche per poi essere processate. Questa catena di elaborazione nella stragrande maggioranza delle applicazioni è ricoperta proprio dal dispositivo stesso. Le sfide dei progettisti in questo ambito ricadono proprio nella gestione della catena di elaborazione, soprattutto quando questa si basa su dati raccolti su vasta scala. Questo significa dire che bisogna progettare un sistema che sia in grado di ricevere informazioni eterogenee da tantissimi dispositivi (gli utenti) e rendere tali dati disponibili per ulteriori elaborazioni. Tutto questo sembra semplice ma aspetti come la privacy, il consumo energetico durante le trasmissioni, l’eterogeneità dei dati e la grande mole degli stessi, l’assenza di sincronizzazione, possono essere solo alcuni dei tantissimi aspetti critici nella progettazione di grandi infrastrutture di elaborazione. Anche pensando in piccolo, ossia ad un sistema che serva il singolo utente con una fusione di dati da più dispositivi (cosa che può accadere anche semplicemente per gli atleti come i ciclisti) tra le sfide ritroviamo anche la necessità dell’informazione di correlazione tra i dati acquisiti. Infatti, questi possono essere acquisiti in maniera del tutto asincrona, spesso con risoluzioni spaziali e temporali non costanti o deterministiche (aleatorie). Tutto questo implica una complessità maggiore negli algoritmi che dovranno andare a lavorare i dati grezzi. L’asincronismo delle acquisizioni, la distanza temporale, la differente natura delle acquisizioni e la loro qualità in termini di risoluzione rendono complicato il lavoro di tali algoritmi. Sempre di più si applicano tecniche di autoapprendimento (Machine Learning e AI) per poter discriminare i dati necessari all’elaborazione e alla produzione di risultati utili ai successivi algoritmi.

2. Reti e protocolli di comunicazione

I dispositivi wearable spesso raccolgono innumerevoli informazioni sensibili dell’utente: a partire dai dati dei sensori biometrici e fisiologici fino a dati quali la posizione e lo stato di salute complessivo. Le informazioni acquisite non rimarranno vincolate al dispositivo ma saranno trasmesse verso altri dispositivi come aggregatori o visualizzatori. Dunque, nel mondo dei dispositivi indossabili è fondamentale la parte di connettività per poter condividere i dati acquisiti e renderli disponibili all’utente finale in un formato user-friendly. Infatti, la maggior parte dei wearable sono progettati per essere efficienti dal punto di vista del peso, della tecnologia, del consumo energetico e via dicendo, ma non sono l’ideale per poter visualizzare correttamente i dati o effettuare delle elaborazioni complesse. Infatti, proprio la necessità di dispositivi a basso consumo energetico comporta la riduzione al minimo degli oneri computazionali (si applicano solo algoritmi semplici o funzionali al dispositivo stesso) e la minimizzazione dei display. A parte gli smartwatch che ricoprono il ruolo non solo di dispositivi di wearable ma anche di oggetti dall’utilizzo più svariato (leggere notifiche, rispondere alle chiamate e via dicendo) gli altri dispositivi mostrano il minimo indispensabile. La scelta della connettività dunque è fondamentale per due aspetti: l’aspetto energetico e l’interoperabilità con altri dispositivi. Con l’avvento dell’Internet of Things il mondo si è mosso velocemente verso un ambiente sempre più interconnesso e sono state sviluppate tantissime tecnologie e protocolli di trasmissione che prediligono alcune caratteristiche ad altre. Velocità, quantità di dati, distanza, consumo energetico sono solo alcune delle caratteristiche e delle criticità che i progettisti devono affrontare nella scelta della tecnologia di trasmissione per i propri dispositivi. Purtroppo, la necessità di limitare i consumi energetici limita notevolmente anche le capacità di elaborazione dei dispositivi wearable per le funzionalità di crittografia necessarie a garantire elevati standard di sicurezza. Dunque, i progettisti e i produttori di tutto il mondo si stanno impegnando nella realizzazione di microcontrollori e dunque dispositivi sempre più performanti dal punto di vista della sicurezza, con periferiche hardware capaci di elaborare gli algoritmi di crittografia necessari ai principali protocolli di comunicazione senza rinunciare al risparmio energetico.

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