Wearables, czyli urządzenia ubieralne, zwykle kojarzone są z trackerami kroków lub kalorii – teraz mogą informować również o stanie zdrowia i nagłych przypadkach medycznych.
Dzisiejsza technologia ubieralna może nawet uratować życie. Smartwache nie tylko motywują ludzi do dbania o sprawność fizyczną, mogą również powiadamiać o nagłych wypadkach medycznych i informować o stanie zdrowia użytkownika. Jak informuje magazyn Wireless Quarter* 325 milionów ludzi na świecie korzysta z urządzeń ubieralnych.
W tym artykule przyjrzymy się rozwojowi urządzeń ubieralnych – począwszy od zwykłych trackerów aktywności po zaawansowane urządzenia, dzięki którym można zapobiegać chorobom. Skupimy się na tym, jak działa technologia wearable, jakie komponenty są w niej niezbędne i jak rewolucjonizuje ona branżę opieki zdrowotnej. Przedstawimy najlepsze marki w branży, wśród nich Nordic Semiconductor, firmę produkującą podwójny procesor, który stał się bazą najnowszych, najbardziej zaawansowanych urządzeń ubieralnych.
Urządzenia ubieralne wspomagające wykrywanie stanu zdrowia
Wraz z rozwojem IoT, urządzenia ubieralne pozwalają na monitorowanie danych fizjologicznych pacjenta, takich jak tlen we krwi, tętno, saturacja, częstotliwość oddychania i temperatura.
Wraz z rosnącą popularnością urządzenia te stały się ważnym elementem walki z wirusem COVID-19. W medycynie coraz częściej stosuje się technologie ubieralne, dzięki którym lekarze mogą monitorować swoich pacjentów przez określony czas poza szpitalem. Urządzenia te odgrywają obecnie istotną rolę w zapobieganiu chorobom i ich monitorowaniu, w tym cukrzycy, nadciśnienia i bezdechu sennego, a także zaburzeń neurokognitywnych, takich jak choroba Parkinsona czy Alzheimera.
Urządzenia ubieralne ułatwiają kontakt lekarza z pacjentem – dotychczas Lekarze mogą wykorzystać obszerne dane do stawiania wczesnych diagnoz, zdalnego monitorowania pacjentów oraz upewniania się, że pacjenci przestrzegają zasad przyjmowania leków.
Technologie wspierające urządzenia ubieralne
Najnowsze urządzenia ubieralne są zasilane przez układy SoC (System-on-a-chip), SiP (system-in-a-package) oraz algorytmy uczenia maszynowego (ML), które wspomagają budowę najbardziej złożonych medycznych urządzeń ubieralnych. Dzięki przetwarzaniu brzegowemu urządzenia ubieralne mogą sygnalizować ukryte problemy zdrowotne i dostarczać lekarzom informacji niezbędnych do podejmowania szybkich decyzji.
Przetwarzanie brzegowe w urządzeniach ubieralnych staje się coraz bardziej energooszczędne i wydajne, a algorytmy są coraz doskonalsze i bardziej zoptymalizowane pod względem energetycznym.
– Peter Myhre, szef działu marketingu produktów w firmie Nordic Semiconductors
Komponenty stosowane w urządzeniach ubieralnych
Inteligentne urządzenia ubieralne wykorzystują różne technologie, takie jak czujniki, wyświetlacze, układy scalone, komunikację bezprzewodową, obliczenia i przetwarzanie danych, technologie zapewniające oszczędność energii, technologie interakcji z danymi itp.
Opracowanie takich urządzeń może stanowić wyzwanie, ponieważ muszą one być wytrzymałe, dostosowane do potrzeb użytkownika i muszą nadawać się do prania lub zdejmowania (zwłaszcza jeśli są zintegrowane z odzieżą i akcesoriami).
Dlatego podczas projektowania urządzeń ubieralnych inżynierowie skupiają się na integracji czujników, miniaturyzacji i wielofunkcyjności. Do powszechnie stosowanych komponentów w projektowaniu ubieralnych urządzeń należą:
Czujniki
Czujniki stosowane we wszystkich urządzeniach ubieralnych pozwalają na uzyskanie informacji o aktywności i parametrach fizjologicznych. Użytkownicy mogą korzystać z informacji na temat swojego ogólnego stanu zdrowia i sprawności fizycznej dzięki pomiarom parametrów takich jak poziom tlenu we krwi, temperatura ciała czy tętno.
W urządzeniach ubieralnych wykorzystuje się wiele rodzajów czujników takich jak:
- czujniki ciśnienia,
- czujniki wilgotności,
- czujniki położenia,
- czujniki temperatury,
- czujniki piezoelektryczne,
- czujniki siły.
Wraz z rozwojem technologii urządzeń ubieralnych rośnie zapotrzebowanie na dokładniejsze, bardziej kompaktowe i niezawodne rozwiązania w zakresie czujników. Dlatego producenci skupiają się na projektowaniu coraz bardziej zaawansowanych technologii.
Jeden z polskich start-upów medycznych, firma Warmie, zaprojektowała czujnik zasilany przez układ nRF52810 SoC marki Nordic Semiconductor, który pozwala na ciągłe monitorowanie temperatury ran i ciała pacjentów w celu wykrywania infekcji.
Kolejnym producentem czujników dostosowanych do urządzeń ubieralnych i inteligentnych zegarków jest firma TE Connectivity – światowy lider w dziedzinie innowacyjnych rozwiązań z zakresu czujników, oferujący komponenty stosowane między innymi w zegarkach i smartwatchach.
Przełączniki
Przełączniki to elementy, które sterują przepływem prądu elektrycznego przez obwód. Stanowią niezbędny element, często wykorzystywany jako urządzenie wejściowe, choć zwykle używane są do włączania sprzętu.
Przełączniki powinny być starannie dobrane już w fazie projektowania sprzętu, ponieważ urządzenia ubieralne są bardzo kompaktowe i dysponują małą ilością miejsca. Większość przełączników jest dotykowa, a w zależności od wymagań mogą być one ustawione pionowo lub pod kątem.
RND oferuje przełączniki dotykowe o małej konstrukcji przeznaczone do urządzeń ubieralnych z klawiaturą oraz wymagających szybkiej transmisji danych. W ofercie firmy Omron znajdują się zmywalne przełączniki DIP, które nadają się do małych komputerów i urządzeń ręcznych.
Elementy pasywne
Element pasywny to element sprzętu elektronicznego, który do działania wymaga energii elektrycznej. W zależności od zastosowania w obwodzie elektrycznym element pasywny może uwalniać, absorbować lub zatrzymywać energię. Do najpopularniejszych rodzajów elementów pasywnych należą rezystory, kondensatory i cewki.
Marka Vishay oferuje profesjonalne cienkowarstwowe rezystory chipowe, które doskonale sprawdzają się w większości sektorów nowoczesnej elektroniki precyzyjnej – wszędzie tam, gdzie liczy się stabilność i niezawodność. Elementy pasywne stosowane są w precyzyjnych urządzeniach testowych i pomiarowych, na przykład w niekrytycznych urządzeniach medycznych, takich jak urządzenia ubieralne.
Półprzewodniki
Półprzewodniki są podstawą technologii ubieralnych – interpretują dane z czujników lub inne dane wejściowe i dostarczają użytecznych informacji. Rozwój branży urządzeń ubieralnych przyspieszył w dużej mierze dzięki rozwojowi sektora półprzewodników. Urządzenia takie jak mikrokontrolery, diody, tranzystory czy programatory czasowe i liczniki stanowią niezbędny element systemów wbudowanych.
Zastosowanie diod o wysokiej czułości pozwala na przykład na monitorowanie parametrów biometrycznych, takich jak stężenie tlenu we krwi czy tętno. Fotodiody PIN marki Vishay to niskoprofilowe urządzenie do montażu powierzchniowego z układem, który może wykrywać światło bliskiej podczerwieni i światło widzialne w obszarze czułości 5,4 mm².
Oscylatory zegarowe firmy IQD (część grupy eiSos firmy Würth Elektronik) pracują przy niskich napięciach i umożliwiają projektantom systemów opracowanie układów ze wspólną szyną zasilającą. Nowe konstrukcje są coraz mniejsze, dzięki czemu idealnie pasują do urządzeń ubieralnych.
I tak na przykład oscylatory z serii IQXO-691 doskonale nadają się do zastosowania w projektach, w których liczy się zwiększona żywotność baterii, takich jak przenośne urządzenia testowe, interfejsy USB, WLAN i aplikacje ubieralne.
Złącza
Złącza mogą być wykorzystywane w urządzeniach ubieralnych do podłączania anten, czujników, zasilania, baterii, połączeń typu płytka-płytka i przewód-płytka oraz wymiennych pamięci. Służą do podłączania urządzeń peryferyjnych do urządzeń głównych i ułatwiają proste naprawy w przypadku awarii jednego z komponentów.
Złącze USB-C 3.1 marki Molex, w którym zastosowano środkową płytkę, zapewnia doskonałą niezawodność i długotrwałą odporność na uszkodzenia spowodowane nadużywaniem złącza. Złącze zostało zaprojektowane z myślą o zagwarantowaniu solidnej i niezawodnej pracy w urządzeniach ubieralnych, Internecie rzeczy i innych zastosowaniach związanych z szybkim przesyłaniem danych.
Częstotliwości radiowe i anteny
Większość zaawansowanych urządzeń ubieralnych jest zintegrowana z Internetem Rzeczy (IoT) i, w zależności od technologii RF, wymaga anten. Antena może być anteną SMD na stałe wbudowaną w płytę PCB lub rzadziej anteną zewnętrzną.
Dla poszczególnych konfiguracji urządzeń dostępne są różne anteny, moduły RF i komunikacyjne, np. anteny GPS/GNSS zwiększają niezawodność bezprzewodowych łączy pozycjonujących.
Zasilanie
Większość ubieralnych urządzeń wymaga złącza zasilania do ładowania baterii, a także złącza baterii, takiego jak uchwyt na ogniwa guzikowe lub zacisk 2- lub 3-przewodowy do baterii LiPo. Większość ubieralnych urządzeń wykorzystuje do ładowania złącza USB, choć czasami producenci opracowują własne, niestandardowe złącza.
Płytki rozwojowe
Ze względu na małe rozmiary płytki PCB stosowane w urządzeniach ubieralnych mają inne standardy niż powszechnie stosowane płytki drukowane. Wybierając płytkę PCB, należy wziąć pod uwagę wiele czynników, takich jak materiały powierzchniowe płytki, projekt RF/mikrofal i linie transmisyjne RF. Na szczęście na rynku działa wielu producentów, którzy projektują płytki przystosowane do urządzeń ubieralnych.
Zestaw rozwojowy nRF5340 marki Nordic Semiconductor to rozwiązanie, które zapewnia twórcom ubieralnych urządzeń silny procesor aplikacyjny, a także całkowicie programowalny procesor sieciowy o wyjątkowo niskim poborze mocy. Podwójna konstrukcja procesora sprawia, że doskonale nadaje się on do skomplikowanych aplikacji IoT, takich jak urządzenia stosowane w opiece zdrowotnej. Za sprawą funkcji bezpieczeństwa, ML i możliwości sztucznej inteligencji (AI) zarządzanie stałym strumieniem danych dostarczanych przez nowoczesne urządzenia ubieralne jest łatwiejsze.
Oprócz Nordic Semiconductor na rynku istnieją inne marki, które oferują rozwiązania z zakresu urządzeń ubieralnych. Poniżej prezentujemy polecane przez nas produkty, które można kupić w sklepie internetowym Elfy Distrelec.
Polecane produkty
Płytka rozwojowa nRF52840 Mini Bluetooth, SparkFun
Płytka rozwojowa SparkFun Pro nRF52840 Small Bluetooth Development Board została stworzona na potrzeby układu nRF52840 RF System-on-Chip (SoC) firmy Nordic Semiconductor, który stanowi potężne połączenie procesora ARM Cortex-M4 i radia Bluetooth 2,4 GHz.
Platforma elektroniki ubieralnej, Adafruit
GEMMA to w pełni funkcjonalna platforma przeznaczona do elektroniki ubieralnej. To okrągły mikrokontroler, współpracujący z Arduino, który może być wszyty bezpośrednio w tkaninę i inteligentną odzież.
Bezprzewodowa płytka rozwojowa urządzeń ubieralnych Tactigon z czujnikiem ruchu, Next Industries
TACTIGON ONE to programowalna płytka do precyzyjnego sterowania gestami 3D, rejestracji ruchu, śledzenia GPS i pomiarów drgań. Umożliwia szybkie programowanie i wdrażanie za pomocą Arduino SDK, co sprawia, że doskonale nadaje się do aplikacji IoT, technologii ubieralnych i projektów AI.
Płytki LilyPad, SparkFun
Płytki LilyPad marki SparkFun są przeznaczone do nietypowych zastosowań elektronicznych i mogą być przyszyte do materiału, tworząc inteligentne ubrania.
*Źródło: „Alive & Ticking: Advanced Wearables Better Health Outcomes”, Wireless Quarter, Wydanie 1, 2022.
Najczęściej zadawane pytania
Medyczne urządzenia ubieralne to urządzenia noszone przez pacjentów, które pozwalają na gromadzenie oraz przesyłanie danych i przetwarzanie ich na informacje. Umożliwia to lekarzom zdalne otrzymywanie informacji o stanie zdrowia pacjenta. Urządzenia ubieralne odgrywają kluczową rolę w zapobieganiu wielu chorobom, jak również w ich leczeniu. Stosuje się je między innymi w przypadku cukrzycy, nadciśnienia, bezdechu sennego, a nawet zaburzeń neurokognitywnych, w tym choroby Parkinsona i Alzheimera.
Trackery wykorzystują trzyosiowy akcelerometr do ciągłego monitorowania ruchu ciała. Urządzenie może rozpoznać, czy dana osoba porusza się do przodu, idzie szybko lub po prostu stoi w miejscu, ponieważ dane są stale rejestrowane podczas noszenia włączonego urządzenia.
Przykładem urządzeń stosowanych w medycynie są monitory EKG, ciśnieniomierze oraz bioczujniki – dane z tych urządzeń mogą pomóc w przewidywaniu niektórych problemów zdrowotnych, na przykład ataków astmy i zaostrzeń POChP.
Raport Smart Wearables Global Market Report 2022 zawiera analizę rynku inteligentnych urządzeń ubieralnych w Azji i Pacyfiku, Europie Zachodniej, Europie Wschodniej, Ameryce Północnej, Ameryce Południowej, na Bliskim Wschodzie i w Afryce. Według danych z reportu największym rynkiem urządzeń ubieralnych była Azja i Pacyfik, na drugim miejscu znalazła się Ameryka Północna.
Branża urządzeń ubieralnych stała się jednym z najszybciej rozwijających się sektorów – od zwykłych trackerów fitness po zaawansowane urządzenia, które mogą ratować życie. Dlatego przewiduje się, że w latach 2022-2030 rynek ten będzie rozwijał się ze złożoną roczną stopą wzrostu na poziomie 13,89%.
