Le sfide dell'elettronica indossabile

L'elettronica indossabile è stata effettivamente utilizzata per decenni sotto forma di apparecchi acustici, pacemaker e altri dispositivi medicali comuni nella società di oggi. Infatti, il progetto originale per molti dispositivi elettronici di consumo come telefoni cellulari, che a volte vengono indossati come lettori di musica portatili, non era stato inizialmente concepito come singola unità, ma è stato adattato in base alle esigenze dei consumatori in termini di funzioni e connettività on-the-go. L'elettronica indossabile si è evoluta da dispositivi salvavita ad accessori di moda e va da braccialetti per il monitoraggio dell'attività fisica, smart watch, occhiali intelligenti, fino alle scarpe con GPS integrato: tutti prodotti che ora registrano una crescente domanda di mercato.

Figura 1: Prodotti elettronici indossabili.

Sebbene la richiesta di elettronica indossabile nasca fondamentalmente dalla domanda dei consumatori, esistono molte applicazioni che si avvalgono di questa tecnologia:

Infotainment: usato per informare e intrattenere, ad esempio per musica, fotografia, video, indicazioni stradali ed e-mail.

Tracciamento dell'attività fisica: usato per monitorare attività e funzioni come camminata, sonno, frequenza cardiaca e consumo di cibo allo scopo di fornire ai consumatori un riscontro immediato ed essenziale sulla base del quale possono agire ed eventualmente modificare i propri comportamenti.

Monitoraggio sanitario: usato per monitorare una condizione diagnosticata, sebbene l'attuale normativa e le perplessità relative alla privacy obblighino a un lungo periodo di sviluppo e test per questo tipo di tecnologia.

Settore industriale e aziendale: terminali da polso per fornire dati in tempo reale, compresi il monitoraggio dei processi produttivi e l'aggiornamento degli stock di magazzino. Si prevede che occhiali e braccialetti intelligenti avranno una notevole diffusione per i lavoratori "senza scrivania", ovvero telelavoratori e personale mobile del settore industriale.

Sistemi militari: integrazione di reti personali, sensori, comunicazioni esterne e capacità di gestire questi sistemi. Un obiettivo è quello di tenere in collegamento i soldati su un campo di battaglia molto ampio, con connettori e sottosistemi di collegamento via cavo che devono essere altamente performanti, durevoli e robusti, ma leggeri per non ostacolare gli spostamenti dei militari a piedi.

Definizione di elettronica indossabile

Un dispositivo elettronico indossabile può essere definito come un dispositivo intelligente, in grado di ricevere dati di input, elaborarli e fornire dati di output significativi. Ad esempio, una funzione di un braccialetto per l'attività fisica preleva dati grezzi da un sensore, li elabora e genera un report sul numero di passi compiuti entro un dato lasso di tempo. Il sensore di movimento è sufficientemente intelligente da distinguere i passi da altri movimenti.

I sensori costituiscono una parte importante dell'elettronica indossabile e diventano sempre più piccoli e più sofisticati. Esistono molti tipi di sensori utilizzabili, ma i più comuni sono per misurazioni inerziali, in genere accelerometri. Un accelerometro può tenere traccia di uno specifico movimento, della sua direzione e della sua intensità o velocità. Un esempio molto semplice del funzionamento di un accelerometro è visibile quando si ruota (input) uno smartphone o un tablet: il dispositivo elabora il movimento percepito e ruota di conseguenza la visualizzazione dello schermo (output).

Altri sensori molto comuni, come quelli di pressione, temperatura, posizione e umidità, supportano applicazioni come bussole, GPS e giroscopi per la rilevazione di movimento. I sensori utilizzati nelle applicazioni medicali possono essere impiegati per misurare e monitorare il flusso sanguigno, la frequenza cardiaca, la pressione arteriosa, i livelli di ossigeno nel sangue, il movimento muscolare, la massa grassa e il peso corporeo. Gli indossabili più apprezzati sono quelli che utilizzano algoritmi per elaborare i dati grezzi rilevati e trasformarli in informazioni significative per gli utilizzatori.

L'elettronica indossabile deve essere in grado di comunicare con l'esterno. La connettività wireless in radiofrequenza a corto raggio e con altri protocolli è molto diffusa, ma comunemente è richiesta la connettività cablata tramite porta USB.

Molti dispositivi indossabili sono dotati di display o di touchscreen per l'interazione dell'utente. Una sfida impervia per display di così piccole dimensioni è la facilità d'uso. Anche se ad alta risoluzione, il display di uno smart watch non offre molto spazio di manovra. Per avere una buona usabilità occorre trovare il giusto equilibrio tra la quantità di informazioni visualizzabili e la loro leggibilità. I principali produttori di dispositivi indossabili devono poi affrontare la questione della gestione del consumo di energia. Essi infatti fanno ampio uso di schermi e-ink o e-paper che garantiscono un consumo molto inferiore rispetto ai display LCD o OLED full-color. Come per qualsiasi dispositivo elettronico, quelli indossabili devono essere alimentati da batterie ricaricabili o con altri metodi. Normalmente, ciò comporta la presenza di una porta per collegare l'alimentazione di ricarica delle batterie. Anche la trasmissione di energia wireless sta prendendo piede come funzione chiave da integrare nei nuovi dispositivi indossabili e richiede l'impermeabilità.

Un'altra caratteristica saliente dell'elettronica indossabile è la capacità di eseguire diverse applicazioni mentre un'app viene aggiornata o modificata. Uno smart watch, ad esempio, è simile a uno smartphone: è di fatto un computer che consente di eseguire un certo numero di attività mentre si connette in modo indipendente a Internet per operazioni critiche di aggiornamento e download di app.

L'elettronica indossabile è un sottoinsieme dell'Internet delle cose (IoT). L'IoT è la migrazione di Internet al di là delle persone. Un esempio è l'uso di uno smartphone o di uno smart watch per aprire da remoto la porta di casa, controllare il termostato e attivare/disattivare il sistema di allarme, da qualsiasi luogo del mondo.

L'IoT può anche funzionare senza l'intervento umano. Uno smart watch può essere preprogrammato per accendere il riscaldamento nelle mattine fredde o per controllare le previsioni del tempo e regolare di conseguenza la temperatura della casa.

Il fattore chiave nell'IoT è l'utilizzo del protocollo Internet (IP). IP è un protocollo di comunicazione utilizzato da Ethernet e Internet per controllare il flusso di informazioni. Ogni dispositivo collegato ha un suo indirizzo IP. Ogni dispositivo dotato di indirizzo IP ha la capacità di comunicare con qualsiasi altro dispositivo IP. Firewall, password e altre misure di sicurezza controllano lo scambio di informazioni tra i dispositivi. L'elettronica indossabile, grazie a un indirizzo IP, entra nell'IoT.

Uno dei vantaggi di essere parte dell'IoT è che i dispositivi elettronici indossabili non hanno la necessità di esistere come dispositivi autonomi. I dati dell'attività fisica rilevati da un braccialetto per il fitness possono essere scaricati su un'app del computer. L'app può poi fornire un'analisi dettagliata delle tendenze nel tempo per poter seguire i progressi dell'allenamento. Il lettore musicale in uno smart watch può richiamare canzoni usando il cloud computing ("il cloud"). Il risultato finale del connubio tra elettronica indossabile e IoT è che le persone, ovunque siano, possono interagire con le cose (televisore, casa, auto, elettrodomestici e apparecchi salvavita), grazie a un piccolo dispositivo indossato.

L'elettronica indossabile è possibile grazie alla miniaturizzazione e all'integrazione dei componenti, che permettono di inserire funzioni potenti in uno spazio molto contenuto. Sensori, chip, fotocamere, altoparlanti e altri componenti diventano sempre più efficienti e al contempo sempre più piccoli.

Inserire questi componenti nel giusto fattore di forma di un involucro e garantire un livello adeguato di producibilità è una vera sfida. In qualità di leader della connettività, TE Connectivity lavora fianco a fianco con progettisti e produttori di elettronica indossabile. La Figura 2 mostra una tipica soluzione di connettore per uno smart watch. Per la maggior parte di questi ed altri componenti, le caratteristiche chiave sono il profilo ribassato e l'ingombro contenuto. Il profilo ribassato è particolarmente importante affinché tutto il dispositivo possa assumere un design sottile.

Figura 2: Soluzioni di connettore per smart watch.

Data l'importanza dell'ingombro, l'integrazione dei componenti non solo semplifica il sistema, ma utilizza lo spazio disponibile alla sua massima efficienza. Le antenne possono essere direttamente integrate nell'alloggiamento di un cellulare, come illustrato in Figura 3. Questi dispositivi di interconnessione stampati (o MID) e le nuove tecnologie delle antenne stampate consentono di integrare nelle parti stampate le piste dei circuiti, i piani di massa e le schermature. Il substrato può essere sia una plastica ingegnerizzata che un materiale composito. I materiali compositi sono sempre più allettanti per la loro capacità di migliorare la resistenza e di accettare a costi convenienti lo stampaggio e la metallizzazione.

Figura 3: Antenne e altri circuiti possono essere integrati nei substrati di plastica.

Molti sistemi indossabili sono progettati per essere portati mentre si fa sport o altre attività impegnative. La robustezza è un concetto relativo e può essere definita solo in funzione dell'applicazione. I requisiti di robustezza per un dispositivo di monitoraggio cardiaco sono diversi da quelli per un dispositivo di monitoraggio dell'attività di un ciclista. I dispositivi indossabili per i militari devono operare a un livello di robustezza completamente differente, che richiede intervalli di temperatura molto più ampi, maggiore resistenza a urti e vibrazioni, nonché a sostanze chimiche e solventi che danneggerebbero il dispositivo.

Rendendo l'elettronica indossabile più resistente ai rischi ambientali si ottengono dispositivi più affidabili e facili da usare. Ad esempio, una certa resistenza al bagnato può essere ottenuta con una porta USB a prova di spruzzi e una cover in gomma, ma ciò non è sufficiente a rendere il dispositivo completamente impermeabile. I progettisti cercano di chiudere le aperture nei dispositivi per raggiungere il grado di tenuta IP67/68 tipico dei progetti impermeabili. Il grado IP indica il livello di protezione ambientale degli involucri delle apparecchiature elettroniche. L'impermeabilizzazione permette la realizzazione di un progetto non soltanto più robusto, ma anche più facile da usare. Oggi stanno emergendo nuovi approcci, come la trasmissione di energia wireless.

Cavo magnetico: i connettori USB (e simili) si affidano al contatto per attrito per l'accoppiamento. Un approccio alternativo, come illustrato in Figura 4, si avvale di magneti per tenere in posizione il connettore dotato di contatti caricati a molla sul lato cavo. Sul lato dispositivo, contatti e magneti possono essere sigillati per impedire infiltrazioni di liquidi e umidità nel dispositivo. Inoltre, diversamente dall'accoppiamento tramite micro USB, i magneti aiutano a mettere il cavo nella giusta posizione.

Figura 4: Cavo magnetico.

Connessioni dati senza contatto: si avvalgono di collegamenti magnetici e transceiver sia sul lato cavo che sul lato dispositivo per creare una connessione wireless. Questo approccio può supportare protocolli di I/O ad alta velocità come USB 2.0 e 3.0. Una distanza ravvicinata tra i transceiver garantisce una connessione energeticamente efficiente.

Ricarica wireless: le batterie possono essere ricaricate senza una connessione elettrica diretta. La ricarica wireless, più correttamente detta per induzione, usa bobine a induzione nell'unità di ricarica e altri componenti elettronici. Il campo elettromagnetico creato dalla bobina consente di trasferire energia alla bobina ricevente, agendo come un trasformatore. Tra i vantaggi della ricarica wireless:

• Maggiore durata: nessuna usura dei connettori
• Maggiore affidabilità: nessuna porta per i connettori, da cui possono entrare materiali contaminanti
• Facilità d'uso: nessun minuscolo connettore da inserire
• Libertà di progettazione: i designer industriali sono liberi di creare forme nuove e originali
• Maggiore autonomia: la presenza di trasmettitori di corrente in oggetti di uso comune significa poterli caricare continuamente

Gli svantaggi della ricarica wireless includono efficienza inferiore, maggiore generazione di calore e ricarica più lenta. Questi aspetti sono tutti correlati e saranno migliorati grazie a nuove strutture di bobine e frequenze di accoppiamento superiori. La maggior parte dei dispositivi indossabili ha un consumo di corrente estremamente basso, di conseguenza l'impatto di questi svantaggi può essere veramente limitato.

Un'altra tendenza nei dispositivi indossabili è quella di incorporare sensori e componenti elettronici nei tessuti, da quelli tecnici per gli atleti ai capi di uso quotidiano. La sfida risiede nel creare indumenti elettronici che possano essere trattati come quelli normali, che siano confortevoli, flessibili e lavabili. Interconnessioni ed elettronica devono essere robusti e discreti. Tutto ciò richiede:

• Terminazioni affidabili, isolate, robuste e impermeabili
• Antenne e transceiver flessibili integrati nell'indumento
• Fili isolati conduttivi elastici
• Batterie piccole e resistenti all'asciugatura
• PCB/FPC indeformabili e ingualcibili

La sfida che attende il mercato dell'elettronica indossabile è quella di creare dispositivi che possano fornire dati utili per migliorare la nostra vita. Che sia destinato a essere portato al polso, alla fronte o alla caviglia, il dispositivo indossabile deve essere alla moda, robusto e facilmente ricaricabile.