پوشیدنی دانشگاه Stanford برای سنجش انرژی مصرفی بر پایه حرکت پاها

سامانه‌ای که دو حسگر داشته باشد نسبت به یک ساعت هوشمند با دقت بیشتری میزان مصرف انرژی را محاسبه می‌کند. پژوهشگران Stanford یک سامانه جدید بر این اساس طراحی کردند که افراد می‌توانند آن را در خانه بسازند. این سامانه نسبت به ساعت‌های هوشمند، که در حدود ۴۰ تا ۸۰ درصد خطا دارند، دقت بالایی دارد (تا۱۳ درصد خطا). این دستگاه از حرکات پا برای سنجش میزان انرژی مصرفی استفاده می‌کند چراکه بیشتر انرژی انسان در حرکت برای پاها صرف می‌شود. در ادامه این مقاله از مجله فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی به معرفی بیشتر این دستگاه و طراحان آن می‌پردازیم.

پوشیدنی دانشگاه Stanford برای سنجش انرژی مصرفی بر پایه حرکت پاها

اطلاعات مربوط به سر هم کردن این سامانه به صورت آنلاین در اختیار افراد قرار داده شده است. به گفته Patrik Slade، دانشجوی تحصیلات تکمیلی Stanford و پژوهشگر اصلی این طرح این سامانه فشرده توسط گروه بزرگی از داوطلبان در ایالات متحده ارزیابی شده است و کار خود را به خوبی انجام می‌دهد. خطای آن نیز یک سوم خطای ساعت‌های هوشمند است. مقاله مربوط به این پوشیدنی در Nature Communications  به چاپ رسیده است.

پژوهش برای یافتن بهترین روش کالری سنجی

بخش مهمی از این پژوهش به درک کاستی‌های سایر دستگاه‌های کالری شمار مربوط است. این دستگاه‌ها به ضربان قلب و یا حرکت مچ وابسته هستند. در حالیکه این دو، معیار تعیین میزان کالری مصرفی نیست، اما می‌توان مصرف کالری را از آن استخراج کرد. برای درک خطای این روش در نظر بگیرید که چگونه یک فنجان قهوه می‌تواند ضربان قلب را تغییر دهد. پژوهشگران بر این باورند که حرکات پا گویاتر است. آزمایش‌ها نیز این دیدگاه را تائید می‌کند.

در حال حاضر سامانه‌های آزمایشگاهی می‌توانند با دقت بالا میزان مصرف انرژی حین حرکات ورزش و فعالیت بدنی را به دقت اندازه‌گیری کنند. اینکار با توجه به نرخ ردوبدل شدن اکسیژن و دی‌اکسیدکربن تنفس تعیین می‌شود. این دستگاه‌ها برای ارزیابی سلامت و کارایی ورزشکاران به کار می‌رود. مشکل این ادوات حجیم بودن و هزینه بالای آنهاست. این پوشیدنی جدید تنها به دو حسگر روی پا، باتری و یک میکروکنترولر(پردازنده کوچک) نیاز دارد. فهرستی از وسایل لازم و کد رایانه‌ای مورد نیاز برای تهیه این کالری شمار اینجا در دسترس است.

به گفته Scott Delp مدیر Wu Tsai Human Performance Alliance در Stanford:« این پژوهش پیشرفت مهمی بوده است. برای تخمین میزان انرژی مصرفی یک فرد با یک ماسک شش دقیقه زمان لازم است». James H. Clark استاد دانشکده مهندسی و از نویسندگان مقاله بیان داشت که دستگاه جدید می‌تواند بگوید که یک ورزشکار المپیک با هر قدم که به سوی خط پایان می‌رود چقدر انرژی مصرف می‌کند. به این شکل می‌تواند برای بهبود کارایی خود تصمیمات خوبی بگیرد. همچنین می‌توان مصرف انرژی یک بیماری را محاسبه کرد که پس از مشکل قلبی در حال بهبودی است و به این شکل تمرینات بدنی بیمار را تنظیم کرد.

محاسبه بر اساس حرکت پاها

مصرف کالری انسان قدری پیچیده است. اما پژوهشگران بر این عقیده بودند که محاسبه بر اساس حرکات پا راهی مناسب است. Mykel Kochenderfer، استاد علم مکانیک پرواز و کیهان‌نوردی در Stanford، بیان می‌کند که: «مشکل ساعت‌های هوشمند اندازه‌گیری بر پایه حرکات دست و ضربان قلب است. این حقیقت که دستگاه متعلق به Patrik خطای کمتری دارد با عقل جور است چراکه حرکات پا را می‌سنجد و بیشتر انرژی نیز صرف حرکت پا می‌شود. »

این سامانه بسیار ساده است. در حقیقت طراحان آن به عمد سامانه را ساده طراحی کرده‌اند. دو حسگر کوچک روی ران و ساق پا، و یک پردازنده که در واقع تلفن هوشمند جایگزین آن است. این حسگرها واحدهای اندازه‌گیری انرسی نامیده می‌شوند و شتاب چرخشی پا را هنگام حرکت پا اندازه‌گیری می‌کنند. این حسگرها سبک، قابل حمل و ارزان هستند که به سادگی به لباس وصل می‌شوند، به انواع لباس‌های هوشمند یا حتی به دستگاه‌های هوشمند که کاربر با خود حمل می‌کند.

پوشیدنی دانشگاه Stanford برای سنجش انرژی مصرفی بر پایه حرکت پاها

آزمایش های انجام شده برای سنجش کارایی کالری سنجی با حرکت پا

برای آزمایش این سامانه با فناوری‌های موجود پژوهشگران به داوطلبان شرکت در آزمایش افزون بر این وسیله یک ضربان‌سنج و دو ساعت هوشمند هم دادند. کاربر باید با وجود همه این دستگاه‌ها فعالیت‌های متنوعی مانند راه رفتن با سرعت‌های مختلف، دویدن، دوچرخه سواری، بالا رفتن از پله و تغییر حالت از راه رفتن به دویدن را انجام می‌داد. با مقایسه سنجش‌های همه این دستگاه‌ها با سنجش سامانه‌های دقیق آزمایشگاهی، پژوهشگران متوجه شدند که سامانه وابسته به پا دقیق‌ترین بوده است.

با آزمایش بیشتر این دستگاه توسط داوطلبانی از سنین و وزن‌های مختلف پژوهشگران اطلاعات بسیار زیادی جمع‌آوری کردندکه با مدل‌های یادگیری ماشین میزان انرژی مصرفی را تخمین می‌زدند. این مدل‌ها اطلاعات حرکت پا را از حسگرها دریافت می‌کرد و با تکیه بر پایگاه داده جمع‌اوری شده میزان مصرف انرژی را تحویل می‌دادند. در حالیکه بهترین سامانه موجود تا امروز به شش دقیقه زمان نیاز دارد تا اطلاعات را در مقیاس آزمایشگاهی ارزیابی کند، این سامانه تنها با چند ثانیه تاخیر میزان انرژی مصرفی را ارزیابی می‌کند.

به گفته Slade بیشتر حرکات روزانه ما در حدود ۲۰ ثانیه روی پا بودن است. بنابراین ثبت این فعالیت‌های اندک یا تغییرات بین فعالیت‌ها بسیار چالش برانگیز است و سامانه دیگری تا کنون برای این کار معرفی نشده است. وی انجام کارهای خانه را نمونه‌ای از فعالیت‌ها کوتاهی دانست که در هنگام محاسبه انرژی مصرفی نادیده گرفته می‌شود.

یک طرح متن باز

سادگی و ارزانی برای گروه طراح این وسیله بسیار مهم بود. چراکه طرح این وسیله در نهایت در اختیار عموم قرار می‌گرفت. با اینکار طراحان امیدوار بودند که افرادی را پشتیبانی کنند که به دنبال یافتن درکی بهتر از سلامت خود هستند.

Kochenderfer بیان داشت که: «کلیه قسمت‌های این طرح را متن باز خواهیم کرد به این امید که مردم آن را دریافت کنند و با آن بدوند و به امید ساخت وسایلی که زندگی عموم را بهبود بخشد. »

گروه طراح باور داشتند که سادگی، ارزانی و قابل حمل بودن این سامانه توان بهتری در پشتیبانی از سلامت عموم دارد و راه‌های جدیدی برای پژوهش در حوزه بازده انسان را باز می‌کند. این گروه توسط Steve Collins استادیار مهندسی مکانیک و نویسنده ارشد این مقاله رهبری می‌شد. آنان هم اکنون نیز از این سامانه برای مطالعه انرژی مصرفی توسط سامانه‌های رباتیک پشتیبان بدن استفاده می‌کنند.

به گفته Slade یکی از هیجان‌انگیزترین موارد در مورد این وسیله این است که می‌توانیم تغییر فعالیت را رصد کنیم و این اطلاعات دقیق به ما اجازه تعریف خط مشی بهتری برای نوع ورزش فرد و تنظیم وزن خواهد داد.

به گفته Delp، استاد مهندسی پزشکی و مکانیک، این پژوهش تعدادی پژوهش جدید در مورد بازده انسان را به دنبال دارد. اینکه چه میزان انرژی هنگام راه رفتن، دویدن یا دوچرخه سواری مصرف می‌شود، یک مقدار بنیادی است. اینک دستگاهی داریم که درهای جدیدی برای کشف دانش جدید در مورد بازده انسان را به روی ما می‌گشاید.


این پوشیدنی های چاپ سه بعدی نیازی به شارژ ندارند
نوآوری های پوشیدنی طراحی شده توسط افراد خارج از شرکت های بزرگ
PhysIQ از پوشیدنی ها و هوش مصنوعی برای بهبود بیماران پس از ابتلا به کرونا استفاده می کند


منبع: stanfordnews

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *