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Wearables per lo sport: la tecnologia e l’impatto del 5G sul mercato

Più precisione, bassa latenza, possibilità di comunicazione e collaborazione tra i dispositivi, altissima affidabilità: così, grazie alle sue caratteristiche, il 5G rivoluzionerà il settore dei dispositivi indossabili per lo sport

30 Mag 2019
Andrea Aliverti

Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioinegegneria, Politecnico di Milano

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L’attuale scenario dei wearables per lo sport si appresta a essere rivoluzionato dall’arrivo del 5G. Le nuove reti andranno quindi a potenziare un fenomeno già in forte crescita.

La tecnologia dei dispositivi indossabili

Nelle ultime edizioni della ricerca dell’American College of Sports Medicine (ACSM), una delle più prestigiose società scientifiche di medicina dello sport, emerge come sempre più rilevante il ruolo dei dispositivi indossabili (wearables), che negli ultimi due anni sono arrivati ad essere considerati la tendenza più significativa nel settore.

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“Indossabile” significa qualsiasi cosa possa indossare una persona, come maglie, cappelli, pantaloni, occhiali, reggiseni, calze, scarpe, orologi, cerotti o dispositivi fissati sulla cintura, senza gravare sulle attività quotidiane e senza limitare la mobilità. Il concetto di vestibilità è di particolare importanza in settori come lo sport, il benessere ed il fitness. Oggi c’è un numero elevatissimo di dispositivi indossabili, anche se in realtà non tutti sono in grado di effettuare misure di parametri con qualità di tipo medico e quindi di dirci qualcosa di affidabile sul nostro stato di salute.

Molto spesso, la tecnologia indossabile è basata su elettronica convenzionale, rigida o pieghevole, con alimentazione basata su batterie convenzionali, e comprendente periferiche per telefoni cellulari (dispositivi, interfacce o sensori collegati al telefono). In altri casi, la tecnologia indossabile è più disruptive”, ed è sviluppata mediante abbigliamento e tessuti con funzioni distribuite, in cui l’elettronica è intrinseca e combinata al tessuto. In questo caso, lo sviluppo tecnologico non è ovvio perché i dispositivi devono essere lavabili, estensibili e pieghevoli, talvolta stampabili. Il dispositivo indossabile del futuro avrà una batteria a lunga durata e consumo molto basso, sarà completamente wireless e avrà un impatto trascurabile sulla naturale mobilità della persona. La calibrazione dovrà essere del tutto automatica, riducendo al minimo gli effetti di fattori come temperatura, umidità e movimento.

I sensori di cui i wearables sono già dotati, e lo saranno sempre di più, sono i più vari. Negli ultimi anni l’industria dei componenti elettronici (StMicroelectronics, Analog Devices, Maxim Integrated Products, Texas Instruments, Invensense, per citare solo alcune aziende particolarmente attive nel settore) ha sviluppato e reso disponibile una serie di circuiti integrati dedicati a diverse misure fisiologiche.

I chip

I chip, che includono sensori, elettronica di front-end, microcontrollori e bus di comunicazione, sono ridotti di dimensione e quindi facilmente integrabili in sistemi indossabili.

Un primo esempio è rappresentato dalle unità di misura inerziale (IMU, Inertial Measurement Units), sistemi che includono accelerometri, giroscopi e magnetometri triassiali basati su tecnologia MEMS (MicroElectroMechanical System), nonché processori in grado di estrarre parametri vettoriali relativi al movimento del sensore stesso.

Contestualmente, cominciano ad essere immessi sul mercato sistemi indossabili che includono una molteplicità di tali sistemi, distribuiti in varie parti del corpo (arti inferiori, arti superiori e busto), ed in grado di fornire un rilievo molto accurato della postura e del movimento (ad esempio, i sistemi prodotti da L.I.F.E. corporation, sviluppati in collaborazione con il Politecnico di Milano). Questi wearables sono in grado di estrarre parametri cinematici quali angoli e velocità articolari, asimmetrie ed asincronie di movimento fino a poco tempo fa confinate solo in laboratori di analisi biomeccanica.

Un secondo esempio è costituito da sistemi integrati per la foto-pletismografia (PPG), con emittori di luce a diverse lunghezze d’onda, fotorilevatori e microcontrollori in grado di fornire la misura del battito cardiaco e di stimare la saturazione di ossigeno nel sangue. Come noto, Apple ha recentemente introdotto smartwatches che incorporano questa misura, in realtà questo è solo l’inizio di uno sviluppo su più ampia scala, che comprenderà anche la possibilità di misurare l’ossigenazione a livello periferico (muscolare).

Un terzo esempio è costituito da circuiti integrati per la misura di diversi segnali elettro-cardiografici (ECG), impedenza toracica e respirazione, a bassa potenza e dimensioni ridotte, che li rendono adatti per applicazioni alimentate a batteria. Le caratteristiche di questi circuiti di front-end, dalle prestazione molto elevate e paragonabili a quelli di elettrocardiografi ad uso diagnostico, li rendono adatte anche per acquisizione di altri biopotenziali, quali ad esempio il segnale relativo all’attività elettrica muscolare, EMG di superficie, estremamente utile per valutare l’attivazione dei diversi gruppi muscolari durante l’esecuzione di diverse attiva’ sportive e nelle diverse fasi di gesti periodici, quali la corsa o la pedalata.

Altri sensori integrabili in sistemi indossabili, di interesse per applicazioni sportive, sono elettrodi per il rilievo dell’attività elettrica cerebrale e del corrispondente segnale elettroencefalografico (EEG), della conduttività della pelle e del livello di sudorazione, sensori di umidità, di parametri biochimici (livello di glucosio, pH).

Sensori di prossimità o a contatto, tipicamente capacitivi, realizzati in alcuni punti dei wearables, i cosiddetti “touch points”, sono realizzati invece per permettere l’interattività con il sistema e l’attivazione di determinate funzioni con estrema facilità, anche durante l’esecuzione di un’attività sportiva.

Il consumo delle batterie

Ridurre il consumo delle batterie è, ovviamente, una priorità di qualsiasi sviluppo futuro nell’ambito dei wearable sportivi. Lo sviluppo di sistemi di misura e di sistemi di trasmissione a bassa potenza sarà la chiave per il successo dei sistemi wireless BSN. Ciò passerà anche attraverso il cosiddetto ‘energy harvesting’ o ‘energy scavenging’, il ‘racimolare’, cioè, energia da fonti disponibili dal corpo o dall’ambiente.

La conversione del movimento umano (particolarmente disponibile durante attività fisica) può avvenire tramite cristalli piezoelettrici o particolari polimeri, che sottoposti a sforzi da deformazione meccanica, generano piccoli potenziali elettrici. Le forze originatrici possono provenire anche da pressioni applicate periodicamente, come nelle scarpe durante una corsa o una camminata, oppure da vibrazioni meccaniche. Nel caso di fibre inserite nei tessuti degli abiti, il movimento stesso della persona produce energia elettrica. Ove vi siano correnti d’aria, anche incostanti, si possono utilizzare microturbine eoliche. L’energia solare viene invece agevolmente immagazzinata tramite celle fotovoltaiche, che si prestano facilmente per essere ridotte a piccole dimensioni. In presenza di gradienti termici si possono utilizzare generatori termoelettrici, con una tensione tipica di 0,1-0,2 mV/K, sfruttando il calore umano durante attività fisica.

Un aspetto molto importante è infine lo sviluppo in corso di ‘antenne wearable’, realizzate con varie tecnologie di fabbricazione e materiali flessibili integrati nell’indumento in una parte del suo tessuto. L’evoluzione tecnologica del processo di fabbricazione considera topologie a semplice microstrip e planari/monopolari, ma anche topologie più complesse basate su array e meta-materiali. Tecniche di taglio laser, ricamo, realizzazione di occhielli metallizzati, stampa a getto d’inchiostro consentiranno a breve termine la fabbricazione accurata di strutture molto sofisticate richieste per il funzionamento ad alta frequenza con tolleranze dimensionali molto strette [3].

Wearables e rete 5G

L’avvento della rete 5G, a breve, modificherà profondamente lo scenario attuale dei wearables. Con il 5G, i dispositivi indossabili non dovranno più incorporare processori di fascia alta per offrire una user experience accettabile. La rete 5G, infatti, fornirà a tutti i dispositivi una connettività affidabile ad alta velocità e potenza di calcolo. Inoltre, come noto, consentirà non solo trasferimenti ad alta velocità di grandi quantità di dati, ma sarà in grado di farlo con una latenza estremamente bassa.

Nessun sensore in un fitness tracker, nella sua versione attuale, ha in realtà bisogno della rete 5G. Gli orologi da corsa, ad esempio, sono già in grado di seguire la traccia GPS in tempo reale. La rete 5G, però, significherà innanzitutto più precisione, essendo basata sulla trasmissione radio ad onde corte, e quindi su una triangolazione più accurata della posizione.

Le reti 5G dispongono anche di comunicazioni a bassa latenza, il che significa che gli indossabili saranno in grado di esercitare un controllo in tempo reale su altri dispositivi indossabili e dispositivi; i wearables diventeranno parte dell’Internet of Things (IoT). Con il 5G, cioè, ogni dispositivo di sport tracking potrà diventare una sorta di hub per un certo numero di altri dispositivi. I tracker funzioneranno, cioè, in combinazione con altri sensori. Saranno, cioè parte di una rete di sensori corporei (BSN, body sensor network), in grado di rilevare una molteplicità di parametri fisiologici, quali ad esempio battito cardiaco, movimento, respirazione, saturazione di ossigeno, temperatura corporea, sudorazione, attività muscolare, ecc.).

Inoltre, saranno connessi ad una serie di dispositivi IoT dedicati a specifiche attività sportive ed attrezzature quali ad, esempio, sensori inerziali e di pressione nelle scarpe del runner, di potenza sulla bicicletta del ciclista, di vibrazione sulla racchetta del tennista o sugli sci dello sciatore, o punch trackers per l’allenamento pugilato, o ad altri sensori ambientali (temperatura, pressione, umidità, qualità dell’aria) o integrati in oggetti ‘smart’ (ad es. una borraccia sensorizzata in grado di fornire dati relativi all’assunzione di liquidi dell’atleta).

In questo scenario, il dispositivo di sport tracking fungerà da gateway edge-of-network, raccogliendo non solo i propri dati, ma anche quelli di altri sensori orchestrandone il collegamento. L’opportunità offerta dalla rete 5G, in questo contesto, non sarà tanto legata alla sua capacità di creare una connessione superveloce, ma di consentire a più dispositivi di comunicare e collaborare istantaneamente per produrre un risultato molto più avanzato e completo.

Un’altra caratteristica della rete 5G di cui gli indossabili trarranno vantaggio è l’altissima affidabilità. La rete 5G utilizzerà microcelle più piccole e consentirà di collegare migliaia di dispositivi indossabili e sensori per chilometro quadrato, molto più di quanto sia possibile al momento. Con la rete 5G, il numero di dispositivi su reti mobili diventerà elevatissimo e si creerà una nuova classe di dispositivi indossabili che saranno “sempre attivi”, sempre connessi e che scambieranno istantaneamente i dati con il cloud.

In questo contesto, le aziende del settore non dovranno limitarsi allo sviluppo dei dispositivi indossabili, ma anche a servizi cloud sicuri per l’analisi dei dati in grado di svolgere, ad esempio, la funzione di allenatore personale di chi li indossa. Le reti 5G renderanno i dispositivi indossabili più conduttori di dati che dispositivi di elaborazione di informazione. Dal momento che il 5G renderà il collegamento tra server e dispositivi cloud remoti sia con larghezza di banda più elevata che praticamente istantanea, i dispositivi indossabili avranno una ridotta quantità di elaborazione da eseguire a bordo e non avranno bisogno di memorizzare dati su specifiche app. Nell’era 5G, cioè, sarà la rete a fornire tutta la potenza di elaborazione ed archiviazione di cui hanno bisogno. Ciò significa che i dispositivi indossabili saranno di dimensioni più ridotte, pur ospitando sempre più sensori, che a loro volta si ridurranno ad ogni nuova generazione.

Dispositivi indossabili e lavoro di gruppo

La ACSM, nelle sue analisi, si sofferma su un aspetto non sempre considerato, la capacità, cioè, dei wearables di stimolare il lavoro di gruppo, pur conservando piani di allenamento rigorosamente individuali. Le dinamiche dei gruppi di sportivi, sempre più, si muovono attorno ai wearables. Uno smartwatch, un tracker o un altro dispositivo indossabile offrono, cioè, una serie di stimoli legati alla condivisione dello sforzo e dei relativi dati, favorendo il confronto e quindi la voglia di migliorare.

D’altra parte, un istruttore o un allenatore è in grado di valutare i risultati del singolo anche durante attività di gruppo e quindi fornire consigli e programmi personalizzati più affidabili. Un aspetto molto interessante è l’evoluzione del concetto stesso di gruppo. Le classiche sessioni di venti o più persone stanno lasciando spontaneamente spazio a insiemi più ristretti e omogenei, frutto anche proprio delle analisi più personalizzate. Senza sottovalutare inoltre, la grande crescita dei gruppi virtuali.

Training e Coaching reale e virtuale

In prospettiva le informazioni approfondite sullo stato funzionale e fisiologico valutati in modo multi-parametrico, sull’interazione tra atleta e attrezzo sportivo, sull’interazione tra atleta e ambiente diverranno essenziali per l’auto-valutazione, l’ottimizzazione dell’allenamento sportivo, e l’analisi dei trend a breve, medio e lungo periodo e applicazioni di coaching sia reale che virtuale. Sviluppi futuri, in corso di sviluppo anche in un progetto di collaborazione tra Politecnico di Milano, Vodafone e LIFE, prevedono la possibilità da parte di un allenatore di seguire più atleti contemporaneamente e in remoto grazie alla condivisione dei dati in tempo reale.

Tutto questo sarà possibile grazie al 5G, che consente di supportare la trasmissione continua e affidabile di numerosi dati fisiologici e biomeccanici provenienti da un elevato numero di sensori connessi e, grazie alla bassa latenza, di fornire feedback aptici e vocali direttamente all’atleta, per guidarlo durante la performance sportiva, dando un feedback immediato qualora un movimento sia eseguito correttamente o meno, aiutandolo in questo modo a migliorare le proprie abitudini mentre si sta allenando.

Applicazioni di coaching virtuale, basate su intelligenza artificiale, consentiranno invece di fornire feedback audio e visivi in tempo reale, attuabili, visivi sulle metriche che consentono di migliorare le prestazioni riducendo al contempo la probabilità di lesioni. Non solo quindi messaggi motivazionali durante l’allenamento, ma anche promemoria e suggerimenti quando si esce da parametri preimpostati, ad esempio simmetria di movimento, appoggio del piede durante la corsa, postura in bicicletta, frequenza e modalità respiratorie fuori dai range considerati accettabili. Queste applicazioni, cioè, non si limiteranno a fornire parametri di distanza, durata, velocità, ma anche di qualità del gesto sportivo.

Eventi di massa

Poiché il 5G renderà possibile connettere migliaia di wearables e sensori per chilometro quadrato, sarà possibile la raccolta dati in tempo reale proveniente da un numero elevato di wearables connessi in 5G nell’ambito di eventi sportivi (ad esempio maratone o gare cittadine) al fine di fornire informazioni su flussi, velocità, stato di affaticamento complessivo o situazioni anomale/di rischio ad uso degli istituti preposti al monitoraggio salute e sicurezza durante la gara e/o agli organizzatori dell’evento per erogare servizi informativi, di intrattenimento o di supporto lungo il percorso.

Condivisione dell’esperienza

La trasmissione in diretta tramite dispositivi indossabili – da parte di tutti, ovunque – potrebbe essere uno degli effetti principali del 5G, anche durante lo svolgimento di attività sportiva o anche semplicemente durante la visione di eventi sportivi. Invece che aggiornare lo stato su un social network, ad esempio, si potrà condividere la propria esperienza visiva o in generale multi-sensoriale online, in alta qualità ed in tempo reale, senza ritardi.

Anche se non è ancora completamente chiaro quello che i chipset 5G saranno in grado di fare, è presumibile che supporteranno sia la modalità ad alta velocità e ad alta larghezza di banda che quella a bassa potenza, a lunga durata e di messaggistica ridotta. In questo contesto, i wearables saranno in grado di funzionare come potenti dispositivi stand-alone con la propria connettività 5G. Certo è che il 5G cambierà tutto, incluso il design degli indossabili e, forse, anche un po’ il modo in cui faremo attività sportiva.

__________________________________________________________________

Riferimenti

[1] N. Aun, P. Soh, A. Al-Hadi, M. Jamlos, G. Vandenbosch, D. Schreurs. Revolutionizing Wearables for 5G. IEEE Microwave Magazine, Vol. 18 (3), 108-124, 2017

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