Ένα σύστημα που κατασκευάζεται με δύο φθηνούς αισθητήρες είναι πιο ακριβές από τα έξυπνα ρολόγια για την παρακολούθηση των θερμίδων που καίγονται κατά τη διάρκεια της δραστηριότητας, αναφέρουν οι ερευνητές
Και οι οδηγίες για τη δημιουργία του συστήματος είναι διαθέσιμες δωρεάν στο διαδίκτυο.
Ενώ τα smartwatch και τα smartphones τείνουν να απενεργοποιούνται κατά περίπου 40 έως 80% όταν πρόκειται για τον υπολογισμό των θερμίδων που καίγονται κατά τη διάρκεια μιας δραστηριότητας, αυτό το σύστημα έχει κατά μέσο όρο σφάλμα 13%.
«Κατασκευάσαμε ένα συμπαγές σύστημα που αξιολογήσαμε με μια διαφορετική ομάδα συμμετεχόντων για να εκπροσωπήσουμε τον πληθυσμό των ΗΠΑ και διαπιστώσαμε ότι τα πάει πολύ καλά, με περίπου το ένα τρίτο το σφάλμα των έξυπνων ρολογιών», λέει ο Patrick Slade, μεταπτυχιακός φοιτητής μηχανολόγων μηχανικών στο Στάνφορντ Πανεπιστήμιο που είναι επικεφαλής συγγραφέας μιας εργασίας για το Nature Communications.
Ένα κρίσιμο κομμάτι αυτής της έρευνας ήταν η κατανόηση ενός βασικού ελλείμματος άλλων φορητών που μετράνε θερμίδες: βασίζονται στην κίνηση του καρπού ή στον καρδιακό ρυθμό, παρόλο που κανένα δεν είναι ιδιαίτερα ενδεικτικό της ενεργειακής δαπάνης. (Σκεφτείτε πώς ένα φλιτζάνι καφέ μπορεί να αυξήσει τον καρδιακό ρυθμό.) Οι ερευνητές υπέθεσαν ότι η κίνηση των ποδιών θα ήταν πιο πειστική - και τα πειράματά τους επιβεβαίωσαν αυτήν την ιδέα.
Αυτό το νέο σύστημα μέτρησης διαθέτει δύο αισθητήρες στο μηρό και το στέλεχος που τροφοδοτούνται από μια μπαταρία και ελέγχονται από έναν μικροελεγκτή, οι οποίοι θα μπορούσαν να αντικατασταθούν από ένα smartphone. (Πίστωση: Andrew Brodhead)
Υπάρχουν συστήματα εργαστηριακού βαθμού που μπορούν να εκτιμήσουν με ακρίβεια πόση ενέργεια ενός ατόμου εγκαύματα κατά τη διάρκεια της φυσικής δραστηριότητας μετρώντας το ρυθμό ανταλλαγής διοξειδίου του άνθρακα και οξυγόνου στην αναπνοή. Τέτοιες ρυθμίσεις χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση της υγείας και της αθλητικής απόδοσης, αλλά περιλαμβάνουν ογκώδη, άβολο εξοπλισμό και μπορεί να είναι ακριβό.
Το νέο φορητό σύστημα απαιτεί μόνο δύο μικρούς αισθητήρες στο πόδι, μια μπαταρία και έναν φορητό μικροελεγκτή (ένας μικρός υπολογιστής) και κοστίζει περίπου 100 $. Ο κατάλογος των εξαρτήματα και κωδικός για τη δημιουργία του συστήματος είναι και τα δύο διαθέσιμα.
«Αυτή είναι μια μεγάλη πρόοδος επειδή, μέχρι τώρα, χρειάζονται δύο έως έξι λεπτά και μια μάσκα αερίου για να εκτιμηθεί με ακρίβεια πόση ενέργεια καίει ένα άτομο», λέει ο συντάκτης Scott Delp, καθηγητής στη Σχολή Μηχανικών. «Με το νέο εργαλείο του Πάτρικ, μπορούμε να εκτιμήσουμε πόση ενέργεια καίγεται με κάθε βήμα καθώς ένας Ολυμπιακός αθλητής αγωνίζεται προς τη γραμμή τερματισμού για να πάρει ένα μέτρο του τι τροφοδοτεί την κορυφαία τους απόδοση. Μπορούμε επίσης να υπολογίσουμε την ενέργεια που ξοδεύει ένας ασθενής που αναρρώνει από καρδιοχειρουργική για να διαχειριστεί καλύτερα την άσκησή του. "
Πόδια, όχι καρποί
Ο τρόπος με τον οποίο οι άνθρωποι καίνε θερμίδες είναι περίπλοκος, αλλά οι ερευνητές είχαν καμιά ιδέα ότι οι αισθητήρες στα πόδια θα ήταν ένας απλός τρόπος για να αποκτήσουν γνώση αυτής της διαδικασίας.
"Ένα ζήτημα με τα παραδοσιακά έξυπνα ρολόγια είναι ότι λαμβάνουν μόνο πληροφορίες από την κίνηση του καρπού και του καρδιακού σας ρυθμού", λέει ο συγγραφέας Mykel Kochenderfer, αναπληρωτής καθηγητής αεροναυτικής και αστροναυτικής. «Το γεγονός ότι η συσκευή του Πάτρικ έχει χαμηλότερο ποσοστό σφάλματος έχει νόημα επειδή ανιχνεύει κίνηση των ποδιών σας και το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς σας ξοδεύεται από τα πόδια σας.»
Το σύστημα είναι σκόπιμα απλό. Αποτελείται από δύο μικρούς αισθητήρες - έναν στον μηρό και έναν στον άξονα ενός ποδιού - που λειτουργεί από έναν μικροελεγκτή στο ισχίο, ο οποίος θα μπορούσε εύκολα να αντικατασταθεί από ένα smartphone. Αυτοί οι αισθητήρες ονομάζονται «αδρανειακές μονάδες μέτρησης» και μετρούν την επιτάχυνση και την περιστροφή του ποδιού καθώς κινείται. Είναι σκόπιμα ελαφρύ, φορητό και χαμηλό κόστος, ώστε να μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα σε διάφορες μορφές, όπως ρούχα, όπως έξυπνο παντελόνι.
Για να δοκιμάσουν το σύστημα έναντι παρόμοιων τεχνολογιών, οι ερευνητές είχαν ζητήσει από τους συμμετέχοντες στη μελέτη να το φορούν ενώ φορούσαν επίσης δύο έξυπνα ρολόγια και ένα όργανο ελέγχου καρδιακού ρυθμού. Με όλους αυτούς τους αισθητήρες συνδεδεμένους, οι συμμετέχοντες πραγματοποίησαν μια ποικιλία δραστηριοτήτων, όπως διάφορες ταχύτητες περπατήματος, τρεξίματος, ποδηλασίας, αναρρίχησης σκαλοπατιών και μετάβασης μεταξύ περπατήματος και τρεξίματος.
Όταν όλα τα φορητά συγκρίθηκαν με τις μετρήσεις καψίματος θερμίδων που καταγράφηκαν από ένα εργαστηριακό σύστημα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το σύστημα με βάση τα πόδια ήταν το πιο ακριβές.
Δοκιμάζοντας περαιτέρω το σύστημα σε πάνω από δώδεκα συμμετέχοντες σε μια σειρά ηλικιών και βαρών, οι ερευνητές συγκέντρωσαν έναν πλούτο δεδομένων που χρησιμοποίησε ο Slade για να βελτιώσει περαιτέρω το μοντέλο μηχανικής εκμάθησης που υπολογίζει τις εκτιμήσεις καύσης θερμίδων.
Το μοντέλο λαμβάνει τις πληροφορίες σχετικά με την κίνηση των ποδιών από τους αισθητήρες και τους υπολογισμούς - χρησιμοποιώντας αυτό που έχει μάθει από προηγούμενα δεδομένα - πόση ενέργεια καταναλώνει ο χρήστης κάθε στιγμή του χρόνου. Και, ενώ τα τρέχοντα state-of-the-art συστήματα απαιτούν περίπου έξι λεπτά δεδομένων από ένα άτομο που συνδέεται με μια μάσκα σε μια εργαστηριακή ρύθμιση, αυτή η εναλλακτική λύση ελεύθερης εμβέλειας μπορεί να λειτουργήσει μόνο με δευτερόλεπτα δραστηριότητας.
«Πολλά από τα βήματα που λαμβάνετε κάθε μέρα συμβαίνουν σε σύντομες περιόδους 20 δευτερολέπτων ή λιγότερο», λέει ο Slade, ο οποίος ανέφερε ότι κάνει δουλειές ως ένα παράδειγμα δραστηριότητας βραχείας έκρηξης που συχνά παραβλέπεται. «Η δυνατότητα λήψης αυτών των σύντομων δραστηριοτήτων ή δυναμικών αλλαγών μεταξύ δραστηριοτήτων είναι πραγματικά δύσκολη και κανένα άλλο σύστημα δεν μπορεί να το κάνει αυτό.»
Καταμέτρηση θερμίδων ανοιχτού κώδικα
Η απλότητα και η οικονομική προσιτότητα ήταν σημαντικές για αυτήν την ομάδα, καθώς έκανε το σχέδιο ανοιχτό, επειδή ελπίζουν ότι αυτή η τεχνολογία μπορεί να υποστηρίξει τους ανθρώπους στην κατανόηση και τη φροντίδα της υγείας τους.
«Είμαστε ανοιχτοί σε όλα με την ελπίδα ότι οι άνθρωποι θα το πάρουν και θα τρέξουν μαζί του και θα φτιάξουν προϊόντα που μπορούν να βελτιώσουν τη ζωή του κοινού», λέει ο Kochenderfer.
Πιστεύουν επίσης ότι η απλότητα, η οικονομική προσιτότητα και η φορητότητα αυτού του συστήματος θα μπορούσαν να υποστηρίξουν καλύτερη πολιτική για την υγεία και νέες οδούς έρευνας για την ανθρώπινη απόδοση. Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Steve Collins, αναπληρωτή καθηγητή μηχανολόγων μηχανικών και ανώτερος συγγραφέας αυτής της εργασίας, χρησιμοποιεί ήδη ένα παρόμοιο σύστημα για να μελετήσει την ενέργεια που δαπανάται με φορητά ρομποτικά συστήματα που ενισχύουν την απόδοση.
«Ένα από τα πιο συναρπαστικά πράγματα είναι ότι μπορούμε να παρακολουθούμε δυναμικά μεταβαλλόμενες δραστηριότητες και αυτές οι ακριβείς πληροφορίες θα μας επιτρέψουν να παρέχουμε καλύτερες πολιτικές για να προτείνουμε πώς οι άνθρωποι πρέπει να ασκούν ή να διαχειρίζονται το βάρος τους», λέει ο Slade.
«Ανοίγει ένα εντελώς νέο σύνολο ερευνητικών μελετών που μπορούμε να κάνουμε για την ανθρώπινη απόδοση», λέει ο Delp, ο οποίος είναι επίσης καθηγητής βιομηχανικής και μηχανολογίας. «Πόση ενέργεια καίτε όταν περπατάτε, όταν τρέχετε, όταν ασκείτε τον εαυτό σας με ένα ποδήλατο - όλα αυτά είναι θεμελιώδη. Όταν έχουμε ένα νέο εργαλείο σαν αυτό, ανοίγει μια νέα πόρτα για να ανακαλύψουμε νέα πράγματα σχετικά με την ανθρώπινη απόδοση. "
Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας και ένα Graduate Fellowship του Στάνφορντ χρηματοδότησαν το έργο.
πηγή: Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ
Σχετικά με το Συγγραφέας
