Una nueva era de tecnología portátil
Jon Gabay para Mouser Electronics
Cuando hablamos de tecnología portátil, nuestras mentes con frecuencia piensan en dispositivos similares a relojes. Sin embargo, muchas otras herramientas tecnológicas cumplen los criterios para ser considerados dispositivos portátiles.
De manera histórica, frecuentemente se ha empleado la tecnología para proteger a las personas, ampliar las capacidades sensoriales y compensar las limitaciones. Sin embargo, los dispositivos portátiles modernos están ampliando los horizontes del progreso, el bienestar y el acondicionamiento físico de las personas. En la actualidad, proliferan las tecnologías de dispositivos portátiles que se enfocan en la gestión de la salud y la accesibilidad a datos. Pero la siguiente fase de la tecnología portátil irá más allá del monitoreo médico básico para potenciar el mejoramiento humano.
Analicemos la tecnología portátil a partir de los inicios de los dispositivos portátiles.
Los primeros dispositivos portátiles
Aunque muchos de los dispositivos portátiles se enfocan en el estilo y la comodidad a través de relojes, anillos, pendientes, brazaletes e implantes, las versiones anteriores no consideraban la comodidad y la conveniencia como factores principales en la tecnología que los humanos llevaban puesta. Hace un milenio, el casco de un soldado era considerado un dispositivo de tecnología avanzada que, por primera vez, lograba que los soldados sobrevivieran a golpes en la cabeza que, de otra forma, sin una protección, los habrían afectado. Incluso las gafas fueron alguna vez los dispositivos portátiles de la época, que mejoraban la capacidad de aprender y contribuir a la sociedad.
Aunque las armaduras y las gafas podrían ser consideradas tecnologías portátiles pasivas, los dispositivos portátiles mecánicos también han ayudado al avance de la sociedad. La tecnología portátil mecánica surgió a principios del siglo XVI con el nacimiento del reloj de bolsillo, y ofrecía a la industria y a las personas comunes un acceso sencillo y preciso a la medición del tiempo, algo que fue (y aún es) importante para la programación y la fabricación. A través de la nueva tecnología, procesos como la fundición de metales o el horneado de pan podían ser perfeccionados de forma más precisa. La introducción del reloj de muñeca hizo lo mismo para una cantidad incluso mayor de la población. La tecnología moderna se ha basado en estos avances y ha llevado los dispositivos portátiles a nuevos niveles.
Veamos cuán lejos hemos llegado.
Dispositivos portátiles actuales
A diferencia de los ejemplos de la armadura estática o la tecnología mecánica, los dispositivos portátiles actuales son electrónicos. Gracias a la fabricación generalizada y de bajo costo de dispositivos como microprocesadores, pantallas y sensores, un mayor número de personas actualmente tienen acceso más fácil y relativamente de bajo costo a los beneficios de estos dispositivos.
Muchos dispositivos portátiles modernos se usan para la salud y el acondicionamiento físico, pero algunos ofrecen acceso continuo a tecnología de la información y comunicaciones. Ambos usos son activamente promocionados, y los relojes de muñeca que alguna vez fueron mecánicos han adquirido una apariencia más estética a través de pantallas y cristales táctiles modernos.
Los famosos relojes de los principales fabricantes de artículos electrónicos ofrecen pantallas fáciles de leer y personalizables para mostrar la hora, la fecha, las alertas del calendario y de mensajes, así como audio, video y mucho más. A medida que la tecnología mejora, los dispositivos portátiles influirán en modo significativo en la forma en que interactuamos con las máquinas. Pero, para la mayoría, la salud sigue siendo el factor determinante.
Monitoreo de salud y acondicionamiento físico
Los avances en la tecnología del acelerómetro están principalmente impulsando el uso de dispositivos de monitoreo de salud y acondicionamiento físico. Los acelerómetros permiten el monitoreo a los contadores de pasos; también se implementan en relojes, pulseras, pendientes, anillos y en una gran cantidad de dispositivos portátiles en los que podemos pensar hoy en día.
Aunque, de forma tradicional, los anillos no han ofrecido tanta funcionalidad como los relojes y las pulseras, la comunicación inalámbrica les permite monitorear el índice de perfusión (qué tan bien circula la sangre), la variabilidad de la frecuencia cardíaca, tiempos y niveles de sueño, niveles de oxígeno en la sangre e incluso el estrés (Imagen 1). Con un acelerómetro integrado, también pueden usarse como contadores de pasos.
Imagen 1: Aunque los relojes y las pulseras se utilizan principalmente para tecnologías portátiles, los anillos se están volviendo más populares, especialmente a medida que la tecnología de pantallas hace su información más accesible. (Fuente: P.S/stock.adobe.com)
Si bien son un buen indicador de actividad, los contadores de pasos no pueden transmitir con precisión la intensidad del ejercicio y las calorías quemadas. Un contador de pasos contará los pasos, pero no podrá diferenciar la caminata o el trote sobre una superficie plana de escaleras, colinas o planos inclinados. Este problema de precisión podría resolverse combinándolos con tecnología GPS, pero actualmente la tecnología GPS no es lo suficientemente precisa para detectar la altitud con cierto grado de certeza.
Los relojes inteligentes y los monitores de actividad física son los dispositivos portátiles más usados. Los monitores de actividad física frecuentemente no cuentan con pantallas pero pueden contar pasos, monitorear calorías y registrar patrones de sueño, así como medir el ritmo cardíaco, la presión arterial, la resistencia cutánea (sudor, estrés y niveles de esfuerzo).
Los patrones de sueño son la función más importante para muchas personas, especialmente para quienes padecen apnea del sueño. Por primera vez, las personas pueden monitorear y registrar patrones de sueño sin necesidad de acudir a costosas e incómodas instalaciones de estudio sobre el sueño. El monitoreo del sueño también puede ser sumamente importante para los bebés, puesto que un dispositivo de muñeca portátil puede detectar si un bebé deja de respirar.
Otra aplicación útil de los monitores de actividad física con acelerómetro es medir si alguien se cae y en qué momento. Esto es particularmente importante para los adultos mayores y la población de edad avanzada. Aunque los botones inalámbricos más antiguos que pueden activarse después de una caída han salvado muchas vidas, no emitirán ninguna alerta si el usuario está inconsciente. Sin embargo, la comunicación inalámbrica entre relojes, pendientes, anillos e incluso dispositivos portátiles de bolsillo puede alertar a los contactos de emergencia cuando ocurre una caída. La tecnología también puede ayudar con el monitoreo de pacientes con Alzheimer u otras formas de demencia, lo que ayuda al personal de la instalación a garantizar su seguridad mientras se desplazan por el edificio.
Los dispositivos médicos más sofisticados también están preparados para salvar y prolongar vidas. Aunque son más caros que los dispositivos portátiles de entre 20 y 100 dólares, los dispositivos médicos portátiles van más allá del monitoreo del ritmo cardíaco y la detección y registro de eventos cardíacos. Con acceso inalámbrico a redes globales, doctores remotos o incluso servicios basados en la nube, estos dispositivos pueden cargar datos de forma periódica o en tiempo real para alertar al personal de monitoreo de cualquier tipo de incidentes.
Otra tecnología médica portátil ampliamente utilizada es el parche. Aunque, por lo general, los parches dispensan medicamentos a un ritmo determinado, muchos de ellos incorporan elementos electrónicos activos que monitorean las condiciones fisiológicas a través de la piel para controlar la administración de medicamentos. De forma similar, la tecnología de electroestimulación portátil se ha utilizado por años. En este caso, los electrodos desechables adheribles se pueden colocar sobre músculos y áreas adoloridas para aplicar choques eléctricos superficiales ligeros y periódicos que pueden anular los mecanismos de dolor internos más profundos para ofrecer alivio.
La próxima gran tendencia en dispositivos médicos portátiles probablemente será la implantación de sensores. La tecnología integrada puede suministrar medicamentos de manera más precisa según sea necesario, con parches, relojes, anillos, colgantes y pulseras inteligentes. Los sensores implantados pueden comunicarse con parches activos que dispensan cantidades precisas de medicamentos a pedido.
Tecnología portátil subdural e implantable
Se puede considerar a los implantes médicos como una tecnología futurista, pero los dispositivos médicamente implantables existen desde hace décadas. El primer marcapasos se colocó en 1958 y desde entonces la tecnología ha mejorado constantemente, como los desfibriladores que pueden reiniciar el corazón.
Al igual que los sensores portátiles, los sensores implantables han ganado cada vez más popularidad. La tecnología moderna de sensores implantables puede monitorear los niveles de azúcar en la sangre, la regeneración de tejidos y huesos, la hipertensión, las arritmias, la estimulación nerviosa (como los implantes cocleares y las lentes intraoculares) e incluso dispensar insulina, anticonceptivos intrauterinos y otros medicamentos según sea necesario.
Mientras que dispositivos como las bombas de insulina y los marcapasos se insertan quirúrgicamente, la nueva tecnología permite la creación de dispositivos médicos implantables que se inyectan. Estos sensores inyectables pueden comunicarse de forma inalámbrica fuera del cuerpo. Una tecnología llamada Quantum Dots incluso puede almacenar información médica personal.
Un gran mercado para estos sensores inyectables es el monitoreo de dispositivos protésicos para mejorar el control mioeléctrico funcional. Se espera que las neuroprótesis motoras aumenten a medida que las prótesis de rodilla, cadera y otras articulaciones de reemplazo se vuelvan más comunes (Imagen 2). Los sensores de retroalimentación detectan ángulos articulares, presiones de contacto en la piel y deformación del tejido.
Imagen 2: Los sensores implantados pueden ayudar en el uso de miembros protésicos tanto para su control como para retroalimentación sensorial. (Fuente: Gorodenkoff/stock.adobe.com)
Los implantes también se utilizan en aplicaciones no médicas, como la inserción de tecnologías de identificación por radiofrecuencia (RFID) debajo de la piel. La tecnología de RFID puede funcionar completamente con la energía de radiofrecuencia suministrada por un lector externo, lo que permite el almacenamiento no volátil de información que podría utilizarse como alertas médicas. Algunas personas incluso han implantado dispositivos RFID que les permiten desbloquear sus autos y casas. Con la tecnología RFID subdural, las personas pueden convertirse en tarjetas de crédito para ayudar a combatir el robo de identidad.
Los implantes cerebrales superan las limitaciones
Los implantes cerebrales, también conocidos como implantes neuronales, se conectan directamente al cerebro y otras células nerviosas (Imagen 3), y se pueden utilizar para aplicaciones como la mejora de las condiciones de la enfermedad de Parkinson o estimular el nervio vago para ayudar a controlar la digestión y la frecuencia cardíaca.
Imagen 3: Los implantes cerebrales ya son una realidad y pueden monitorear la actividad neuronal, estimular los nervios y proporcionar información sensorial directamente al cerebro. (Fuente: ktsdesign/stock.adobe.com)
Varios de estos tipos de implantes médicos han ayudado a innumerables personas a mejorar su audición y visión. Incluso ha habido casos en los que se ha implantado con éxito tecnología de circuitos integrados para permitir que personas con deficiencias en la visión de colores puedan verlos y diferenciarlos.
El rango de los órganos sensoriales humanos también puede ampliarse mediante el uso de estos implantes, por ejemplo, ahora es posible extender el campo de visión hacia los espectros infrarrojo y ultravioleta. Los implantes auditivos también pueden ampliar el rango auditivo y aplicar filtros específicos que permiten a los usuarios escuchar estímulos que están fuera del rango típico de detección humana. Esto también se puede lograr utilizando audífonos portátiles.
Más recientemente, implantes más sofisticados han demostrado la capacidad de utilizar computadoras y redactar texto a partir de la decodificación de las ondas cerebrales. Estas tecnologías pueden cambiar vidas, ya que se pueden controlar extremidades y articulaciones artificiales motorizadas utilizando patrones de pensamiento.
Y con la llegada de procesadores de IA implantables que pueden aprender patrones complejos de actividad cerebral, es posible comunicarse con miembros protésicos y biónicos al pensar en formas y colores. Con suficiente capacidad de procesamiento y funcionalidad de DSP, los procesadores implantados podrían transmitir mensajes neuronales a través de nervios dañados, para permitir el paso de la información sensorial nerviosa (por ejemplo, sensaciones de calor y frío, tacto).
Optimización de los núcleos de procesador y periféricos para la tecnología portátil avanzada
A pesar de las limitaciones de espacio, la tecnología portátil externa puede incorporar una amplia variedad de procesadores, según las preferencias de los ingenieros de diseño. Con numerosos procesadores potentes de varios núcleos disponibles, seleccionar la combinación óptima de núcleos de procesador y periféricos es crucial para adaptar el procesador ideal al dispositivo portátil adecuado.
Para satisfacer esa necesidad, están los microcontroladores cruzados i.MX RT5000 de NXP Semiconductors, líder mundial en soluciones de conectividad segura para aplicaciones integradas. Estos microcontroladores cuentan con una combinación de núcleos de procesador e interfaces periféricas diseñadas específicamente para aplicaciones portátiles, lo que ofrece una solución integral para una variedad de aplicaciones.
El i.MX RT5000 está equipado con una unidad de procesamiento gráfico 2D que cuenta con aceleración de gráficos vectoriales mediante una interfaz paralela de alta velocidad. También se integra en el chip una interfaz de visualización en serie MIPI (MIPI DSI®) para una interfaz fluida con módulos de visualización en serie. La interfaz LCD incorporada permite una personalización rápida de dispositivos portátiles para aprovechar tecnologías de visualización TFT, OLED, micro-LED e incluso las emergentes tecnologías de puntos cuánticos.
La serie i.MX RT5000 también incorpora un sólido núcleo del procesador Arm® Cortex®-M33 de 200MHz diseñado para proporcionar capacidad de respuesta en tiempo real. Esta característica funciona con los 5 MB de SRAM de cero espera integrada en el chip, lo que garantiza que el código crítico permanezca fácilmente accesible a la vez que se minimiza el tiempo de retardo en los movimientos de datos.
Además, un núcleo de DSP Cadence Tensilica Fusion F1 que opera a 200 MHz puede gestionar los datos de procesamiento de señales provenientes de varios sensores externos. Estos sensores pueden detectar niveles químicos, como concentraciones de azúcar u hormonas, o monitorear la actividad nerviosa para la transmisión de sensaciones o la mitigación del dolor.
Para implementar funciones como la estimulación directa de los músculos y los pulsos eléctricos, se requieren múltiples interfaces para facilitar la comunicación con los sensores y activadores. Estas interfaces permiten que las prótesis mecanizadas interactúen con los músculos para restaurar el control y la movilidad. El i.MX RT5000 incluye interfaces de alta velocidad USB 2.0, SPI, I²C, UART y I²S, que pueden conectar sensores, estimuladores y módulos de comunicaciones inalámbricos. Esta flexibilidad permite que los dispositivos portátiles evolucionen junto con los protocolos inalámbricos.
El i.MX RT5000 también cuenta con múltiples interfaces flash, criptografía y aceleradores matemáticos para implementar algoritmos de seguridad dinámicos y complejos. Garantizar la seguridad de los datos médicos y las interfaces corporales es fundamental para evitar el acceso no autorizado a dispositivos como marcapasos. El soporte de seguridad avanzado permite la comunicación segura con teléfonos externos o redes, incluyendo criptografía asimétrica, AES 256 y SHA2-256 (ECC y RSA). También se integran el inicio seguro y el almacenamiento de claves basado en funciones físicamente no clonables (PUF). La gestión avanzada de energía minimiza el consumo de energía, y una conexión con fusible protege el almacenamiento de claves raíz.
Conclusiones
En menos de 60 años, hemos pasado de una tecnología espaciosa y quirúrgicamente insertada a una tecnología de monitoreo y administración médica subdural e inyectable. Estas innovaciones no solo han salvado y prolongado vidas, sino que también han mejorado la calidad de vida y han permitido a los cuidadores y profesionales médicos atender a más personas a costos reducidos.
El tamaño reducido de los circuitos integrados y las tecnologías de semiconductores de menor consumo han permitido que se utilicen tecnologías más sofisticadas y seguras en dispositivos portátiles e implantables. Aunque en este artículo no se discutió sobre la ropa como tecnología portátil, las prendas también pueden beneficiar a la población, aunque se presentan desafíos en cuanto a mantener la funcionalidad después del lavado y secado.
El procesador NXP i.MX RT5000 es ideal para dispositivos portátiles de próxima generación. Cuenta con un entorno de desarrollo maduro listo para usar, y varios documentos de aplicación le ayudarán a conocer el cifrado AES, ejemplos y usos de DSP, gestión de energía e implementación de E/S seguras.
Mirando hacia el futuro, esperamos ver más dispositivos portátiles e inyectables activos. Los parches inteligentes simplificarán la dispensación automatizada de medicamentos, especialmente cuando se combinan con sensores implantados. La capacidad de utilizar RFID para identificación y verificación puede ayudar también a frenar el robo de identidad. Hablamos mucho sobre los beneficios médicos de los dispositivos portátiles, pero una vez que nos convertimos en parte de la máquina, las posibilidades son ilimitadas.