Sensory w elektronice noszonej - rynek oraz zastosowania obecne i przyszłe

Czujniki są elementarnym komponentem elektroniki noszonej. W sprzęcie tego typu znajdują zastosowanie sensory praktycznie większości spośród mierzalnych wielkości. Na wstępie artykułu przestawiamy przykłady tych czujników razem z opisem urządzeń zaliczanych do kategorii elektroniki noszonej, w które są one wbudowywane. Dalej prezentujemy prognozy na temat ich rynku oraz kierunków, w jakich będą rozwijane.

Jakie czujniki znajdziemy w elektronice noszonej?

Przykładem są akcelerometry. Czujniki te są używane w pomiarach statycznego przyspieszenia grawitacyjnego, na podstawie którego można wyznaczyć kąt odchylenia obiektu od pionu, oraz przyspieszenia dynamicznego. To może być skutkiem ruchu, uderzenia, wstrząsów albo wibracji. Akcelerometry MEMS montuje się na przykład w opaskach na nadgarstki, które zliczają kroki w trakcie ćwiczeń fizycznych.

Akcelerometry, żyroskopy, które mierzą położenie kątowe, magnetometry oraz czujniki optyczne, pełniące funkcję pulsoksymetru, czyli mierzące częstość pulsu oraz nasycenie krwi tlenem, są częścią na przykład smartwatchy. Wbudowuje się je oprócz tego w bransoletki, które monitorują aktywność fizyczną.

Entuzjaści fitnessu mogą ponadto monitorować przebieg swoich ćwiczeń dzięki na przykład słuchawkom Free Wavz, w które wbudowano akcelerometr, pulsometr oraz oksymetr. Podobne wyposażenie i funkcjonalność cechują również m.in. specjalne rękawice Oxstren dla sportowców.

Sensory ciśnienia i temperatury

Rękawice takie dodatkowo są wyposażane w czujniki mierzące zmianę impedancji skóry w wyniku jej zwilżenia potem. Na tej podstawie można m.in. ocenić wysiłek osoby wykonującej ćwiczenia. Kolejny przykład to sensory ciśnienia. W połączeniu z akcelerometrami są one częścią na przykład specjalnych wkładek Kinematix Tune do butów do biegania. Wstawki takie monitorują nacisk stopy na podłoże w trakcie wykonywania tej czynności. Na podstawie późniejszej analizy tych informacji można zoptymalizować oraz dostosować do indywidualnych możliwości biegacza jego plan treningowy.

W elektronice noszonej używa się również sensorów temperatury. Wbudowuje się je m.in. w paski, które z kolei wszywa się w ubrania dla sportowców. Czujniki te monitorują, jak zmienia się temperatura ich ciała w trakcie wykonywania ćwiczeń.

Elektronika noszona spełnia nie tylko funkcję gadżetu. Przykładem są czapki Smart Cap, w które wbudowano sensory, które mierzą fale generowane przez mózg. Dzięki nim można monitorować aktywność tego organu.

Zastosowania specjalistyczne - przemysł

Analizując informacje z sensorów w czapce, można wykryć, że osoba, która ma na sobie takie nakrycie głowy, jest zmęczona. Czapki te są przeznaczone na przykład dla kierowców, którzy podróżują na długich trasach, kierujących ciężkim sprzętem, na przykład koparkami na budowach albo wózkami widłowymi w magazynach i innych osób, których praca jest męcząca, a jednocześnie wymaga dużego skupienia.

Elektronika noszona jest również wykorzystywana w innych profesjonalnych zastosowaniach. Przykładami tych ostatnich są medycyna oraz przemysł.

W tym drugim używane są m.in. specjalne, naszpikowane czujnikami oraz inną elektroniką, kaski. Przykładowe sensory, które są w nich montowane, wykrywają obecność oraz mierzą stężenie różnych substancji szkodliwych dla zdrowia albo życia ludzi, na przykład: tlenku węgla, dwutlenku węgla, metanu, tlenków azotu.

Poza nimi w nakrycia głowy tego typu wbudowuje się akcelerometry, żyroskopy, magnetometry, czujniki temperatury, wilgotności, kamery oraz GPS. Dzięki tym czujnikom można m.in.: w każdej chwili zlokalizować pracownika, ostrzec go o tym, że warunki panujące w jego otoczeniu zaczynają mu zagrażać albo wykryć, że znalazł się on w niebezpiecznej sytuacji, na przykład upadł i może w związku z tym potrzebować pomocy.

Elektronika noszona w medycynie

Przykładem elektroniki noszonej do zastosowań medycznych są specjalne okulary Evena Eyes On, w które zostały wbudowane kamery, zwykłe i na podczerwień. Jest to sprzęt przeznaczony do użytku przez personel medyczny, który pobiera pacjentom krew do badań. Osoba nosząca te okulary widzi bowiem, jak ich żyły są ułożone pod skórą.

Dzięki temu może ona z łatwością od razu wybrać najlepsze miejsce do wykonania nakłucia. W efekcie nie musi powtarzać tej nieprzyjemnej dla pacjenta czynności, jak to często ma miejsce, jeżeli za pierwszym razem nie uda się jej trafić w żyłę.

Oprócz kamer w okulary dla pielęgniarek wbudowano także mikrofon. Dzięki temu jednocześnie można procedurę pobierania krwi udokumentować. Inny przykład to noszony defibrylator Zoll LifeVest. Urządzenie to służy do monitorowania czynności serca osoby, która ma je na sobie. Jego zadaniem jest również niedopuszczenie do zatrzymania się krążenia krwi. Zoll LifeVest ma postać kamizelki, w którą wbudowano elektrody EKG.

Jeżeli w rytmie serca pacjenta wykryte zostaną nieprawidłowości, jest on o tym natychmiast powiadamiany. Urządzenie to jest również w stanie sprawdzić, czy jest on przytomny. Jeżeli nie jest, to przez elektrody pomiarowe uwalniany jest żel przewodzący. Następnie generowany jest impuls elektryczny, który ma pobudzić serce do prawidłowej pracy.

Które czujniki będą najpopularniejsze?

Jak wynika z powyższych przykładów, kreatywność projektantów elektroniki noszonej nie zna granic. Nie byliby oni jednak w stanie swoich pomysłów zrealizować, gdyby nie różnorodność czujników i ich miniaturyzacja.

Rys. 1. Prognoza wartości rynku czujników w elektronice noszonej

Im więcej funkcjonalności projektanci elektroniki noszonej będą chcieli zaimplementować, tym więcej sensorów będą jednocześnie wykorzystywać. W rezultacie, jak przewiduje IHS, w 2019 roku średnio w jednym takim urządzeniu montowane będą co najmniej cztery czujniki. Dla porównania w 2013 był to średnio jeden sensor.

Jak prognozuje Markets and Markets, spośród wszystkich rodzajów czujników, które są używane w elektronice noszonej, największy udział w tym rynku do 2022 roku będą miały akcelerometry. Z kolei według Zion Market Research w 2016 roku największym rynkiem ich zbytu była Ameryka Północna.

W przyszłości na utrzymanie się popytu na sensory do elektroniki noszonej w tym regionie największy wpływ będzie miało kilka czynników. Pierwszym będzie fakt, że w tym rejonie świata nie brakuje entuzjastów nowinek technologicznych, którzy chętnie od razu kupują nowo pojawiające się w sprzedaży gadżety.

Czym są WBAN?

Istotne będzie rosnące zapotrzebowanie na elektronikę noszoną m.in. w medycynie i w sporcie. Nie bez znaczenia będzie miał ponadto fakt, że w Ameryce Północnej działa wielu znaczących producentów czujników i smartwatchy.

Z kolei w Europie spodziewany jest znaczący wzrost popytu na czujniki do elektroniki tego typu. Będzie to głównie spowodowane rosnącą w tym regionie świadomością w zakresie zalet używania urządzeń tego rodzaju. Niski koszt sensorów do elektroniki noszonej przyczyni się natomiast do tego, że najszybciej ich rynek będzie rósł w rejonie Azji i Pacyfiku.

Jeżeli chodzi o trendy na rynku czujników wbudowywanych w gadżety i inne urządzenia noszone, to analitycy Zion Market Research wyróżniają kilka kierunków, w których będzie się on rozwijał, i rozwiązań, które w najbliższej przyszłości zyskają na znaczeniu. Jednym z tych ostatnich są sieci WBAN (Wireless Body Area Network).

WBAN to bezprzewodowe sieci czujników, które są rozmieszczone na ciele człowieka, w jego bezpośrednim sąsiedztwie albo wewnątrz, w postaci implantu. Początkowo koncepcja połączenia tego rodzaju sensorów w sieć dotyczyła przede wszystkim zastosowań medycznych, w przypadku których parametry życiowe pacjenta, które należało łącznie poddawać analizie, rejestrowało kilka niezależnych czujników. Obecnie w WBAN łączone będą coraz częściej też czujniki elektroniki noszonej poza medycyną.

IEEE 802.15.6

Ze względu na specyfikę czujników, które są w jakikolwiek sposób przymocowane do ciała człowieka, a przede wszystkim kwestie związane z ich zasilaniem (częste ładowanie jest niepożądane, a w przypadku implantów nawet niemożliwe) oraz szczególnie w przypadku zastosowań w medycynie, z bezpieczeństwem użytkowników (utrata danych pomiarowych, ingerencja w nie z zewnątrz, przerwa w transmisji, mogą zagrażać zdrowiu lub życiu pacjenta), sieci typu WBAN powinny spełniać określone wymagania. Dotyczą one przede wszystkim ich organizacji oraz komunikacji w ich obrębie.

Najważniejsze z nich to: jak najmniejsze obciążenie węzłów sieci, dzięki któremu oszczędza się energię zgromadzoną w bateriach je zasilających oraz zapewnienie niezawodności transmisji (w obecności zaburzeń, których źródłem jest ciało ludzkie, zaburzeń na skutek ruchu osoby, do której węzły sieci są przymocowane i oddziaływania innych urządzeń) i jej bezpieczeństwa. Istotne kwestie to również łatwość realizacji oraz niski koszt.

W odpowiedzi na te potrzeby organizacja IEEE opracowała standard IEEE 802.15.6. W porównaniu do innych standardów łączności bezprzewodowej w specyfikacji tej położono większy nacisk na wszystkie wyżej wymienione zagadnienia, które mają znaczenie w przypadku sieci WBAN. W IEEE 802.15.6 zdefiniowano warstwę fizyczną, warstwę MAC i rozwiązania z zakresu bezpieczeństwa transmisji.

Co nas czeka w przyszłości?

Sieci WBAN odegrają z pewnością ogromną rolę w nowo rozwijającej się dziedziny, którą jest tekstronika. W jej przypadku układy elektroniczne i czujniki są zintegrowane z wyrobami włókienniczymi.

Rys. 2. Emotiv Insight (źródło: Philips)

Przykładem zastosowania wyrobów tekstronicznych może być odzież dla służb ratunkowych, na przykład dla strażaków. Ubranie takie monitorowałoby stan zdrowia ratownika oraz warunki, w jakich pracuje, a informacje te byłyby przesyłane do centrum zarządzania akcją, skąd w razie potrzeby, na przykład utraty przytomności przez strażaka, można by szybko interweniować.

Innym przykładem zastosowania wyrobów tekstronicznych jest odzież dla osób chorych albo poddawanych rehabilitacji. Jej zadaniem byłoby z kolei monitorowanie ich stanu zdrowia i/lub aktywności, o czym informowany byłby lekarz.

Według Zion Market Research w przyszłości na popularności zyskają również czujniki mocowane bezpośrednio na ciele albo w ciele człowieka. Pierwsze tego typu sensory zostały już opracowane, przede wszystkim przez ośrodki naukowe, jednak jeszcze żadne z nich nie weszły do powszechnej sprzedaży.

Czujniki emocji

Do tej grupy można zaliczyć m.in. soczewki kontaktowe, które mierzą stężenie glukozy i tatuaże mierzące parametry życiowe. Inne przykłady to: sensor rozpoznający, czy człowiek pali, pije, czy je, "instalowany" w zębie oraz czujnik do pomiaru sygnałów EKG i EEG, który przykleja się bezpośrednio na skórze.

Liczne badania prowadzi się obecnie również nad czujnikami, które będą w stanie rozpoznawać ludzkie emocje. Pierwsze tego typu rozwiązania są już dostępne w sprzedaży.

Przykładem jest bransoletka Feel. Wbudowano w nią kilka sensorów, które mierzą m.in. reakcję skórno-galwaniczną, puls oraz temperaturę. Algorytm, który jest tajemnicą producenta, na podstawie tych biosygnałów odgaduje samopoczucie użytkownika.

Specjalna aplikacja zainstalowana na jego smartfonie w oparciu o to i podane wcześniej przez niego dane, na przykład jego kalendarz, podpowiada mu, co może być przyczyną na przykład złego humoru. Ponadto aplikacja udziela użytkownikowi porad psychologicznych, jak zapewnia producent zgodnie z wytycznymi terapii poznawczo-behawioralnej (www.myfeel.co).

Suche czujniki do pomiaru sygnałów EEG

Innym przykład to Emotiv Insight (rys. 2). Jest to urządzenie do pomiaru sygnałów EEG, które nakłada się na głowę. Przypomina ono zestaw słuchawkowy. Wyposażono je w pięć suchych elektrod, które wykonano z hydrofilowego polimeru. Dzięki temu, że absorbują one wilgoć z otoczenia, nie ma potrzeby stosowania żeli ani roztworów przewodzących.

Emotiv Insight mierzy aktywność najważniejszych obszarów funkcjonalnych mózgu. Na tej podstawie analizowany jest stan emocjonalny użytkownika. Urządzenie jest m.in. w stanie określić, w jakim stopniu w danym momencie odczuwa on takie emocje jak: skupienie, zdenerwowanie, podniecenie, odprężenie, zainteresowanie i zaangażowanie (www.emotiv.com/insight/).

Monika Jaworowska