Un sistema realizzato con due sensori economici è più preciso degli smartwatch per il monitoraggio delle calorie bruciate durante l'attività, riferiscono i ricercatori
E le istruzioni per realizzare il sistema da soli sono disponibili gratuitamente online.
Mentre gli smartwatch e gli smartphone tendono a diminuire di circa il 40-80% quando si tratta di contare le calorie bruciate durante un'attività, questo sistema ha un errore medio del 13%.
"Abbiamo costruito un sistema compatto che abbiamo valutato con un gruppo diversificato di partecipanti per rappresentare la popolazione degli Stati Uniti e abbiamo scoperto che funziona molto bene, con circa un terzo dell'errore degli smartwatch", afferma Patrick Slade, uno studente laureato in ingegneria meccanica a Stanford Università che è l'autore principale di un documento sul lavoro in Nature Communications.
Un pezzo cruciale di questa ricerca è stato capire un difetto di base di altri dispositivi indossabili che contano le calorie: si basano sul movimento del polso o sulla frequenza cardiaca, anche se nessuno dei due è particolarmente indicativo del dispendio energetico. (Considera come una tazza di caffè può aumentare la frequenza cardiaca.) I ricercatori hanno ipotizzato che il movimento delle gambe sarebbe stato più significativo e i loro esperimenti hanno confermato questa idea.
Questo nuovo sistema di misurazione presenta due sensori sulla coscia e sul gambo che sono alimentati da una batteria e controllati da un microcontrollore, che potrebbe essere sostituito da uno smartphone. (Credito: Andrew Brodhead)
Esistono sistemi di laboratorio in grado di stimare con precisione quanta energia una persona ustioni durante l'attività fisica misurando il tasso di scambio di anidride carbonica e ossigeno nel respiro. Tali configurazioni vengono utilizzate per valutare la salute e le prestazioni atletiche, ma comportano attrezzature ingombranti e scomode e possono essere costose.
Il nuovo sistema indossabile richiede solo due piccoli sensori sulla gamba, una batteria e un microcontrollore portatile (un piccolo computer) e costa circa 100 dollari. L'elenco di componenti ed codice per la realizzazione del sistema sono entrambi disponibili.
"Questo è un grande progresso perché, fino ad ora, ci vogliono dai due ai sei minuti e una maschera antigas per stimare con precisione quanta energia sta bruciando una persona", afferma il coautore Scott Delp, professore alla School of Engineering. “Con il nuovo strumento di Patrick, possiamo stimare quanta energia viene bruciata ad ogni passo mentre un atleta olimpico corre verso il traguardo per ottenere una misura di ciò che sta alimentando le sue massime prestazioni. Possiamo anche calcolare l'energia spesa da un paziente che si sta riprendendo da un intervento di cardiochirurgia per gestire meglio il proprio esercizio”.
Gambe, non polsi
Il modo in cui le persone bruciano calorie è complicato, ma i ricercatori avevano la sensazione che i sensori sulle gambe sarebbero stati un modo semplice per ottenere informazioni su questo processo.
"Un problema con gli smartwatch tradizionali è che ottengono informazioni solo dal movimento del polso e dalla frequenza cardiaca", afferma il coautore Mykel Kochenderfer, professore associato di aeronautica e astronautica. "Il fatto che il dispositivo di Patrick abbia un tasso di errore inferiore ha senso perché rileva il movimento delle gambe e la maggior parte della tua energia viene spesa dalle gambe".
Il sistema è volutamente semplice. Consiste di due piccoli sensori, uno sulla coscia e uno sul gambo di una gamba, gestiti da un microcontrollore sull'anca, che potrebbe essere facilmente sostituito da uno smartphone. Questi sensori sono chiamati "unità di misura inerziali" e misurano l'accelerazione e la rotazione della gamba mentre si muove. Sono volutamente leggeri, portatili e a basso costo in modo che possano essere facilmente integrati in diverse forme, compresi i vestiti, come pantaloni intelligenti.
Per testare il sistema con tecnologie simili, i ricercatori hanno chiesto ai partecipanti allo studio di indossarlo mentre indossavano anche due smartwatch e un cardiofrequenzimetro. Con tutti questi sensori collegati, i partecipanti hanno eseguito una varietà di attività, tra cui varie velocità di camminata, corsa, bicicletta, salire le scale e passare dalla camminata alla corsa.
Quando tutti i dispositivi indossabili sono stati confrontati con le misurazioni del consumo calorico acquisite da un sistema di laboratorio, i ricercatori hanno scoperto che il loro sistema basato sulle gambe era il più accurato.
Testando ulteriormente il sistema su oltre una dozzina di partecipanti di età e peso diversi, i ricercatori hanno raccolto una grande quantità di dati che Slade ha utilizzato per perfezionare ulteriormente il modello di apprendimento automatico che calcola le stime del consumo calorico.
Il modello acquisisce le informazioni sul movimento delle gambe dai sensori e calcola, utilizzando ciò che ha appreso dai dati precedenti, quanta energia l'utente sta bruciando in ogni momento. E, mentre gli attuali sistemi all'avanguardia richiedono circa sei minuti di dati da una persona collegata a una maschera in un ambiente di laboratorio, questa alternativa a campo libero può funzionare con solo secondi di attività.
"Molti dei passi che fai ogni giorno si verificano in brevi periodi di 20 secondi o meno", afferma Slade, che ha menzionato lo svolgimento delle faccende domestiche come un esempio di attività di breve durata che spesso viene trascurata. "Essere in grado di catturare queste brevi attività o cambiamenti dinamici tra le attività è davvero impegnativo e nessun altro sistema è attualmente in grado di farlo".
Conteggio delle calorie open source
La semplicità e l'accessibilità erano importanti per questo team, così come rendere il design apertamente disponibile, perché sperano che questa tecnologia possa supportare le persone nella comprensione e nella cura della propria salute.
"Stiamo open-sourcing di tutto nella speranza che le persone lo prendano e seguano e realizzino prodotti che possono migliorare la vita del pubblico", afferma Kochenderfer.
Ritengono inoltre che la semplicità, l'accessibilità e la portabilità di questo sistema potrebbero supportare una migliore politica sanitaria e nuove strade per la ricerca sulle prestazioni umane. Il gruppo di ricerca guidato da Steve Collins, professore associato di ingegneria meccanica e autore senior di questo documento, sta già utilizzando un sistema simile per studiare l'energia spesa con sistemi robotici indossabili che migliorano le prestazioni.
"Una delle cose più entusiasmanti è che possiamo tenere traccia delle attività che cambiano dinamicamente e queste informazioni precise ci consentiranno di fornire politiche migliori per consigliare come le persone dovrebbero esercitare o gestire il loro peso", afferma Slade.
"Apre una serie completamente nuova di studi di ricerca che possiamo fare sulle prestazioni umane", afferma Delp, che è anche professore di bioingegneria e di ingegneria meccanica. “Quanta energia bruci quando cammini, quando corri, quando ti eserciti in bicicletta, tutte queste cose sono fondamentali. Quando abbiamo un nuovo strumento come questo, si apre una nuova porta per scoprire cose nuove sulle prestazioni umane".
La National Science Foundation, il National Institutes of Health e una Stanford Graduate Fellowship hanno finanziato il lavoro.
Fonte: Università di Stanford
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