System zbudowany z dwóch niedrogich czujników jest dokładniejszy niż smartwatche do śledzenia kalorii spalonych podczas aktywności, podają naukowcy
A instrukcje samodzielnego tworzenia systemu są dostępne bezpłatnie online.
Podczas gdy smartwatche i smartfony mają tendencję do wyłączania się o około 40 do 80%, jeśli chodzi o liczenie kalorii spalonych podczas aktywności, ten system ma średnio 13% błędu.
„Zbudowaliśmy kompaktowy system, który oceniliśmy z różnorodną grupą uczestników, aby reprezentować populację USA i stwierdziliśmy, że działa bardzo dobrze, z około jedną trzecią błędu smartwatcha” – mówi Patrick Slade, absolwent inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Stanforda. Uniwersytet, który jest głównym autorem pracy na temat pracy w Nature Communications.
Kluczowym elementem tych badań było zrozumienie podstawowej wady innych urządzeń do noszenia, które liczą kalorie: opierają się na ruchu nadgarstka lub tętno, chociaż żadne z nich nie jest szczególnie wskaźnikiem wydatku energetycznego. (Zastanów się, jak filiżanka kawy może zwiększyć tętno.) Naukowcy postawili hipotezę, że ruch nóg będzie bardziej wymowny – a ich eksperymenty potwierdziły ten pomysł.
Ten nowy system pomiarowy składa się z dwóch czujników na udzie i podudzi, które są zasilane baterią i sterowane przez mikrokontroler, który można zastąpić smartfonem. (Źródło: Andrew Brodhead)
Istnieją systemy laboratoryjne, które mogą dokładnie oszacować, ile energii dana osoba oparzenia podczas aktywności fizycznej poprzez pomiar szybkości wymiany dwutlenku węgla i tlenu w oddechu. Takie konfiguracje są używane do oceny stanu zdrowia i wyników sportowych, ale wymagają nieporęcznego, niewygodnego sprzętu i mogą być drogie.
Nowy system do noszenia wymaga tylko dwóch małych czujników na nodze, baterii i przenośnego mikrokontrolera (małego komputera), a jego wykonanie kosztuje około 100 USD. Lista składniki i kod do udostępnienia systemu.
„To duży postęp, ponieważ do tej pory potrzeba było od dwóch do sześciu minut i maski gazowej, aby dokładnie oszacować, ile energii człowiek spala” – mówi współautor Scott Delp, profesor w School of Engineering. „Dzięki nowemu narzędziu Patricka możemy oszacować, ile energii spala się na każdym kroku, gdy sportowiec olimpijski zbliża się do mety, aby uzyskać miarę, co napędza ich szczytowe wyniki. Możemy również obliczyć energię zużytą przez pacjenta po operacji kardiochirurgicznej, aby lepiej zarządzać ćwiczeniami”.
Nogi, nie nadgarstki
Sposób, w jaki ludzie spalają kalorie, jest skomplikowany, ale naukowcy mieli przeczucie, że czujniki na nogach będą prostym sposobem na uzyskanie wglądu w ten proces.
„Problem z tradycyjnymi smartwatchami polega na tym, że uzyskują informacje tylko z ruchu nadgarstka i tętna” – mówi współautor Mykel Kochenderfer, profesor nadzwyczajny aeronautyki i astronautyki. „Fakt, że urządzenie Patricka ma niższy wskaźnik błędów, ma sens, ponieważ wykrywa ruch nóg, a większość energii jest wydatkowana przez nogi”.
System jest celowo prosty. Składa się z dwóch niewielkich czujników – jednego na udzie i jednego na podudzie jednej nogi – sterowanych przez mikrokontroler na biodrze, który z łatwością mógłby zastąpić smartfon. Czujniki te nazywane są „inercyjnymi jednostkami pomiarowymi” i mierzą przyspieszenie i obrót nogi podczas jej ruchu. Są celowo lekkie, przenośne i tanie, dzięki czemu można je łatwo zintegrować w różnych formach, w tym odzieży, takiej jak: Mądre spodnie.
Aby przetestować system w porównaniu z podobnymi technologiami, naukowcy poprosili uczestników badania, aby nosili go, jednocześnie nosząc dwa smartwatche i monitor pracy serca. Po podłączeniu wszystkich tych czujników uczestnicy wykonywali różnorodne czynności, w tym różne prędkości chodzenia, biegania, jazdy na rowerze, wchodzenia po schodach i przechodzenia między chodzeniem a bieganiem.
Kiedy wszystkie urządzenia do noszenia zostały porównane z pomiarami spalania kalorii zarejestrowanymi przez system laboratoryjny, naukowcy odkryli, że ich system oparty na nogach był najdokładniejszy.
Poprzez dalsze testowanie systemu na kilkunastu uczestnikach w różnym wieku i o różnej wadze, naukowcy zebrali bogactwo danych, które Slade wykorzystał do dalszego udoskonalenia modelu uczenia maszynowego, który oblicza szacunki dotyczące spalania kalorii.
Model pobiera informacje o ruchu nóg z czujników i oblicza — korzystając z tego, czego nauczył się z poprzednich danych — ile energii użytkownik spala w danym momencie. I podczas gdy obecne najnowocześniejsze systemy wymagają około sześciu minut danych od osoby podłączonej do maski w warunkach laboratoryjnych, ta alternatywa na wolnym wybiegu może funkcjonować przy zaledwie kilku sekundach aktywności.
„Wiele kroków, które wykonujesz każdego dnia, odbywa się w krótkich, 20-sekundowych lub krótszych seriach”, mówi Slade, który wspomniał, że wykonywanie prac domowych jest jednym z przykładów krótkotrwałej aktywności, która często jest pomijana. „Możliwość uchwycenia tych krótkich czynności lub dynamicznych zmian między czynnościami jest naprawdę trudna i żaden inny system nie jest obecnie w stanie tego zrobić”.
Liczenie kalorii typu open source
Prostota i przystępność cenowa były ważne dla tego zespołu, podobnie jak otwarte udostępnienie projektu, ponieważ mają nadzieję, że ta technologia może pomóc ludziom w zrozumieniu i dbaniu o swoje zdrowie. .
„Otwieramy wszystko w nadziei, że ludzie przyjmą to i będą z tym korzystać i tworzyć produkty, które mogą poprawić jakość życia społeczeństwa”, mówi Kochenderfer.
Uważają również, że prostota, przystępność cenowa i przenośność tego systemu mogą wspierać lepszą politykę zdrowotną i nowe drogi badań nad ludzkimi działaniami. Grupa badawcza kierowana przez Steve'a Collinsa, profesora nadzwyczajnego inżynierii mechanicznej i starszego autora tego artykułu, już używa podobnego systemu do badania energii zużywanej przez systemy robotów do noszenia, które zwiększają wydajność.
„Jedną z najbardziej ekscytujących rzeczy jest to, że możemy śledzić dynamicznie zmieniające się działania, a te dokładne informacje pozwolą nam zapewnić lepsze zasady, aby zalecić, jak ludzie powinni ćwiczyć lub zarządzać swoją wagą” – mówi Slade.
„Otwiera zupełnie nowy zestaw badań, które możemy przeprowadzić na temat ludzkiej wydajności”, mówi Delp, który jest również profesorem bioinżynierii i inżynierii mechanicznej. „Ile energii spalasz, kiedy idziesz, biegasz, kiedy ćwiczysz na rowerze – wszystkie te rzeczy są fundamentalne. Kiedy mamy nowe narzędzie, takie jak to, otwiera nowe drzwi do odkrywania nowych rzeczy na temat ludzkiej wydajności”.
Prace sfinansowały National Science Foundation, National Institutes of Health oraz Stanford Graduate Fellowship.
Źródło: Stanford University
O autorze
