Un sistem realizat cu doi senzori ieftini este mai precis decât ceasurile inteligente pentru urmărirea caloriilor arse în timpul activității, relatează cercetătorii
Iar instrucțiunile pentru realizarea sistemului dvs. sunt disponibile gratuit online.
În timp ce ceasurile inteligente și smartphone-urile tind să fie oprite cu aproximativ 40 până la 80% atunci când vine vorba de numărarea caloriilor arse în timpul unei activități, acest sistem are în medie o eroare de 13%.
„Am construit un sistem compact pe care l-am evaluat cu un grup divers de participanți pentru a reprezenta populația SUA și am constatat că funcționează foarte bine, cu aproximativ o treime din eroarea ceasurilor inteligente”, spune Patrick Slade, student absolvent în inginerie mecanică la Stanford Universitatea care este autorul principal al unei lucrări despre lucrarea din Natura Comunicaţii.
O piesă crucială a acestei cercetări a fost înțelegerea deficienței de bază a altor articole portabile care numără caloriile: se bazează pe mișcarea încheieturii mâinii sau pe ritmul cardiac, chiar dacă niciuna dintre acestea nu indică în mod special cheltuielile de energie. (Luați în considerare modul în care o ceașcă de cafea poate crește ritmul cardiac.) Cercetătorii au emis ipoteza că mișcarea piciorului ar fi mai grăitoare - și experimentele lor au confirmat această idee.
Acest nou sistem de măsurare are doi senzori pe coapsă și pe coadă care sunt alimentați de o baterie și controlați de un microcontroler, care ar putea fi înlocuit cu un smartphone. (Credit: Andrew Brodhead)
Există sisteme de laborator care pot estima cu exactitate câtă energie are o persoană arsuri în timpul activității fizice prin măsurarea ratei de schimb a dioxidului de carbon și a oxigenului din respirație. Astfel de configurări sunt utilizate pentru a evalua sănătatea și performanța atletică, dar implică echipamente voluminoase, incomode și pot fi costisitoare.
Noul sistem portabil necesită doar doi senzori mici pe picior, o baterie și un microcontroler portabil (un computer mic) și costă aproximativ 100 USD. Lista de componente și cod pentru realizarea sistemului sunt disponibile ambele.
„Acesta este un mare progres deoarece, până acum, durează două până la șase minute și o mască de gaz pentru a estima cu exactitate câtă energie arde o persoană”, spune coautorul Scott Delp, profesor la Școala de Inginerie. „Cu noul instrument al lui Patrick, putem estima cât de multă energie este arsă la fiecare pas pe măsură ce un atlet olimpic aleargă către linia de sosire pentru a obține o măsură a ceea ce le alimentează performanțele maxime. De asemenea, putem calcula energia cheltuită de un pacient care se recuperează după o intervenție chirurgicală cardiacă pentru a-și gestiona mai bine exercițiile. ”
Picioare, nu încheieturi
Modul în care oamenii ard calorii este complicat, dar cercetătorii au avut o bănuială că senzorii de pe picioare ar fi o modalitate simplă de a obține o perspectivă asupra acestui proces.
„O problemă a ceasurilor inteligente tradiționale este că obțin informații numai din mișcarea încheieturii și a ritmului cardiac”, spune coautorul Mykel Kochenderfer, profesor asociat de aeronautică și astronautică. „Faptul că dispozitivul lui Patrick are o rată de eroare mai mică are sens, deoarece detectează mișcarea picioarelor și cea mai mare parte a energiei tale este cheltuită de picioare.”
Sistemul este intenționat de simplu. Este format din doi senzori mici - unul pe coapsă și unul pe coada unui picior - rulat de un microcontroler pe șold, care ar putea fi înlocuit cu ușurință de un smartphone. Acești senzori sunt numiți „unități de măsură inerțiale” și măsoară accelerația și rotația piciorului pe măsură ce acesta se mișcă. Ele sunt în mod intenționat ușoare, portabile și cu costuri reduse, astfel încât să poată fi ușor integrate în diferite forme, inclusiv îmbrăcăminte, cum ar fi pantaloni inteligenți.
Pentru a testa sistemul împotriva unor tehnologii similare, cercetătorii au solicitat participanților la studiu să îl poarte, purtând în același timp două ceasuri inteligente și un monitor de ritm cardiac. Cu toți acești senzori atașați, participanții au efectuat o varietate de activități, inclusiv diferite viteze de mers pe jos, alergare, ciclism, urcare pe scări și tranziție între mers și alergare.
Când toate dispozitivele portabile au fost comparate cu măsurătorile arderii caloriilor capturate de un sistem de laborator, cercetătorii au descoperit că sistemul lor bazat pe picioare era cel mai precis.
Testând în continuare sistemul pe peste o duzină de participanți într-o gamă de vârste și greutăți, cercetătorii au adunat o multitudine de date pe care Slade le-a folosit pentru a rafina în continuare modelul de învățare automată care calculează estimările consumului de calorii.
Modelul preia informațiile despre mișcarea piciorului de la senzori și calculează - folosind ceea ce a învățat din datele anterioare - câtă energie arde utilizatorul în fiecare moment din timp. Și, în timp ce sistemele actuale de ultimă generație necesită aproximativ șase minute de date de la o persoană conectată la o mască într-un cadru de laborator, această alternativă la distanță liberă poate funcționa cu doar câteva secunde de activitate.
„Mulți dintre pașii pe care îi faceți în fiecare zi se întâmplă în perioade scurte de 20 de secunde sau mai puțin”, spune Slade, care a menționat că a face treburi ca un exemplu de activitate de scurtă durată, care deseori este trecută cu vederea. „A putea capta aceste activități scurte sau schimbări dinamice între activități este cu adevărat o provocare și niciun alt sistem nu poate face acest lucru în prezent.”
Număr de calorii open source
Simplitatea și accesibilitatea au fost importante pentru această echipă, la fel ca și punerea la dispoziție a designului deschis, deoarece speră că această tehnologie poate sprijini oamenii în înțelegerea și îngrijirea sănătății lor.
„Aprovizionăm totul în speranța că oamenii o vor lua și vor alerga cu ea și vor produce produse care pot îmbunătăți viața publicului”, spune Kochenderfer.
Ei cred, de asemenea, că simplitatea, accesibilitatea și portabilitatea acestui sistem ar putea sprijini o politică de sănătate mai bună și noi căi de cercetare în domeniul performanței umane. Grupul de cercetare condus de Steve Collins, profesor asociat de inginerie mecanică și autor principal al acestei lucrări, folosește deja un sistem similar pentru a studia energia cheltuită cu sistemele robotizate purtabile care sporesc performanța.
„Unul dintre cele mai interesante lucruri este că putem urmări activitățile care se schimbă dinamic, iar aceste informații precise ne vor permite să oferim politici mai bune pentru a recomanda modul în care oamenii ar trebui să își exercite sau să își gestioneze greutatea”, spune Slade.
„Deschide un set complet nou de studii de cercetare pe care le putem face cu privire la performanța umană”, spune Delp, care este, de asemenea, profesor de bioinginerie și de inginerie mecanică. „Câtă energie arzi când mergi, când alergi, când te exersezi pe bicicletă - toate aceste lucruri sunt fundamentale. Când avem un nou instrument ca acesta, ne deschide o nouă ușă spre descoperirea unor lucruri noi despre performanța umană. ”
Fundația Națională pentru Științe, Institutele Naționale de Sănătate și o bursă Stanford Graduate Fellowship au finanțat lucrarea.
Sursa: Universitatea Stanford
Despre autor
