Uma nova era de tecnologia vestível

Jon Gabay para Mouser Electronics

Ao considerar a tecnologia vestível, nossas mentes geralmente gravitam em torno de dispositivos semelhantes a relógios. No entanto, inúmeras outras ferramentas tecnológicas atendem aos critérios de dispositivos vestíveis.

Tradicionalmente, a tecnologia tem sido frequentemente empregada para proteger as pessoas, ampliar os recursos sensoriais e compensar as limitações. No entanto, os dispositivos vestíveis modernos estão ampliando os horizontes do aperfeiçoamento humano, bem-estar e condicionamento físico. Atualmente, há uma proliferação de tecnologias vestíveis focadas no gerenciamento de saúde e na acessibilidade de dados. A próxima fase da tecnologia vestível irá além do monitoramento médico essencial para abraçar o aprimoramento das capacidades humanas.

Vejamos a tecnologia vestível, desde o lançamento dos primeiros dispositivos vestíveis.

Os primeiros dispositivos vestíveis

Embora o objetivo de muitos dos dispositivos vestíveis atuais seja oferecer estilo e conforto por meio de relógios, anéis, pingentes, pulseiras e implantes, iterações anteriores não focavam o conforto e conveniência como o principal fator na tecnologia dos dispositivos usados por seres humanos. Há milênios, um capacete de soldado era considerado um dispositivo de alta tecnologia que, pela primeira vez, permitia que os soldados resistissem a golpes na cabeça que, de outra forma, incapacitaria um soldado. Até mesmo os óculos já foram considerados dispositivos vestíveis, visto que melhoravam a capacidade de aprender e contribuir para a sociedade.

Embora as armaduras e óculos possam ser considerados como tecnologia vestível passiva, os dispositivos vestíveis mecanizados também representaram avanço para a sociedade. A tecnologia vestível mecanizada surgiu no início dos anos 1500 com a criação do relógio de bolso, oferecendo à indústria e às pessoas comuns o acesso fácil e preciso à medição do tempo, acesso esse que era (e ainda é) importante para programação e fabricação. Por meio da nova tecnologia, os processos, desde a fundição de metais até a fabricação de pães, podem ser refinados com mais precisão. O lançamento do relógio de pulso representou o mesmo para muito mais pessoas. A tecnologia moderna foi baseada nesses avanços e levou as tecnologias vestíveis a novos níveis.

Vejamos a que ponto chegamos.

Os dispositivos vestíveis da atualidade

Diferentemente dos exemplos de armadura estática ou tecnologia mecanizada, os dispositivos vestíveis atuais são eletrônicos. Em razão da fabricação generalizada e do baixo custo de dispositivos como microprocessadores, monitores e sensores, mais pessoas agora têm acesso fácil e de custo relativamente baixo aos benefícios desses dispositivos.

Muitos dispositivos vestíveis modernos são utilizados para saúde e condicionamento físico, mas alguns oferecem acesso contínuo à tecnologia da informação e comunicações. Os dois usos são comercializados ativamente, e os relógios de pulso, antes mecanizados, tornaram-se esteticamente mais atraentes com as telas modernas e telas sensíveis ao toque.

Os relógios que ficaram famosos pelos principais fabricantes de dispositivos eletrônicos oferecem monitores fáceis de ler e personalizáveis de informações de hora, data, alertas de calendário e de mensagens, além de áudio e vídeo e muito mais. À medida que a tecnologia melhorar, os dispositivos vestíveis afetarão significativamente a forma como interagimos com as máquinas. No entanto, para a maioria, a saúde ainda é o fator determinante.

Monitoramento de saúde e condicionamento físico

Os avanços na tecnologia do acelerômetro estão impulsionando principalmente o uso de dispositivos de monitoramento de saúde e condicionamento físico. Os acelerômetros habilitam os contadores de passos a rastrear passos; eles também são implementados em relógios, pulseiras, pingentes, anéis e todos os demais dispositivos vestíveis que possamos imaginar hoje.

Embora os anéis tradicionalmente não ofereçam tanta funcionalidade quanto os relógios e as pulseiras, as comunicações sem fio permitem que eles monitorem o índice de perfusão (como o sangue circula), variabilidade da frequência cardíaca, tempos e níveis de sono, níveis de oxigênio no sangue e até mesmo estresse (Figura 1). Com um acelerômetro integrado, eles também podem ser usados como contadores de passos.

Figura 1: Embora relógios e pulseiras sejam usados principalmente para tecnologias vestíveis, os anéis estão se tornando mais comuns, especialmente porque a tecnologia de exibição torna suas informações mais acessíveis. (Fonte: PS/stock.adobe.com)

Embora sejam uma boa indicação de movimento, os contadores de passos não podem transmitir com precisão a intensidade do exercício e as calorias queimadas. Um contador de passos contará passos, mas não distinguirá caminhada ou corrida em uma superfície plana comparada a escadas, ladeiras e inclinações. Esse problema de precisão pode ser superado quando combinado com a tecnologia de GPS, mas a tecnologia GPS atual não é suficientemente precisa para detectar a altitude com qualquer grau de certeza.

Os smartwatches e rastreadores de condicionamento físico são os dispositivos vestíveis mais usados. Os rastreadores de condicionamento físico muitas vezes não incluem visores, mas podem contar passos, rastrear calorias e registrar padrões de sono, bem como medir frequência cardíaca, pressão arterial e resistência da pele (suor, estresse e níveis de esforço).

Os padrões de sono são a função de monitoramento mais crítica para muitas pessoas, em especial aquelas com apneia do sono. Pela primeira vez, as pessoas podem monitorar e rastrear os padrões de sono sem os ambientes dispendiosos e inconvenientes de estudo do sono. O monitoramento do sono também pode ser crítico para bebês, uma vez que um dispositivo de pulso pode detectar se o bebê deixa de respirar.

Outra aplicação útil de rastreadores de condicionamento físico baseados em acelerômetros é medir a queda e o momento da queda de uma pessoa. Isto é particularmente importante para pessoas de idade mais avançada e população idosa. Embora tenham salvado muitas vidas, os botões mais antigos que podem ser ativados sem fio, não serão alerta de ajuda se o usuário estiver inconsciente. No entanto, as comunicações sem fio entre relógios, pingentes, anéis e até mesmo dispositivos vestíveis de bolso podem alertar contatos de emergência quando ocorrer uma queda. A tecnologia também pode ajudar a rastrear pacientes com Alzheimer ou outras formas de demência, ajudando as equipes de centros a garantir a segurança dos usuários enquanto eles se movimentam pelo prédio.

Dispositivos médicos mais sofisticados também ajudam a salvar e prolongar vidas. Embora mais dispendiosos do que os dispositivos vestíveis de US$ 20 a US$ 100, os dispositivos médicos vestíveis vão além do monitoramento da frequência cardíaca, detectando e registrando eventos cardíacos. Com acesso sem fio a redes globais, médicos remotos ou mesmo serviços baseados na nuvem, esses dispositivos podem carregar dados periodicamente ou até mesmo em tempo real para alertar a equipe de monitoramento sobre quaisquer incidentes.

Outra tecnologia médica vestível amplamente utilizada é o adesivo. Embora, em geral, os adesivos dispensem medicamentos em uma taxa predeterminada, muitos incorporam dispositivos eletrônicos ativos que monitoram as condições fisiológicas através da pele para controlar a introdução de medicamentos. Da mesma forma, a tecnologia de eletroestimulação vestível é usada há anos. Neste caso, eletrodos descartáveis do tipo peel-and-stick podem ser fixados em torno de músculos e áreas doloridas, fornecendo pequenos choques elétricos periódicos de superfície que podem substituir mecanismos internos de dor mais profundos e oferecer alívio.

A próxima grande tendência nos dispositivos vestíveis médicos provavelmente serão os sensores implantados. A tecnologia incorporada pode administrar medicamentos com mais precisão, conforme necessário, com adesivos inteligentes, relógios vestíveis, anéis, pingentes e pulseiras. Os sensores implantados podem fazer comunicação com adesivos ativos que administram quantidades precisas de medicamentos sob comando.
Tecnologia vestível subdural e implantável
Os implantes médicos podem ser considerados uma tecnologia futurista, mas os dispositivos médicos implantáveis existem há décadas. O primeiro marcapasso foi implantado em 1958 e, desde então, a tecnologia melhorou constantemente, incluindo desfibriladores que podem restabelecer o ritmo normal do coração.

Assim como acontece com os sensores vestíveis, a popularidade dos sensores implantados têm aumentado constantemente. A moderna tecnologia de sensores implantáveis pode monitorar os níveis de glicemia no sangue, regeneração de tecidos e ossos, hipertensão, arritmias, estímulos nervosos (como os implantes cocleares e as lentes intraoculares) e até mesmo administrar insulina, contraceptivos intrauterinos e outros medicamentos conforme a necessidade.

Embora os dispositivos como bombas de insulina e marca-passos sejam inseridos cirurgicamente, novas tecnologias tornam possíveis os dispositivos médicos implantáveis injetáveis. Esses sensores injetáveis podem fazer comunicação sem fio fora do corpo. Uma tecnologia chamada Quantum Dots pode até mesmo armazenar informações médicas pessoais.

Um amplo mercado para esses sensores injetáveis é o monitoramento de dispositivos protéticos para melhorar o controle mioelétrico funcional. Espera-se que as neuropróteses motoras aumentem à medida que as artroplastias de joelho, quadril e outras articulações sejam mais difundidas (Figura 2). Sensores de feedback detectam ângulos articulares, pressões de contato com a pele e tensão tecidual.

Figura 2: Sensores implantados podem auxiliar no uso de próteses de membros para controle e feedback sensorial. (Fonte: Gorodenkoff/stock.adobe.com)

Os implantes também estão sendo usados para aplicações não médicas, como a inserção de tecnologias RFID sob a pele. A tecnologia RFID pode operar inteiramente a partir de energia de rádiofrequência obtida de um leitor externo, permitindo o armazenamento não volátil de informações que podem ser usadas como alertas médicos. Algumas pessoas têm dispositivos RFID implantados que lhes permitem desbloquear seus carros e casas. Com a tecnologia RFID subdural, as pessoas podem se tornar cartões de crédito para ajudar a combater o roubo de identidade.

Implantes cerebrais superam deficiências
Os implantes cerebrais, também chamados implantes neurais, são conectados diretamente ao cérebro e a outras células nervosas (Figura 3) e podem ser usados para aplicações como aliviar as condições da doença de Parkinson ou estimular o nervo vago para ajudar a controlar a digestão e a frequência cardíaca.

Figura 3: Implantes cerebrais já foram realizados e podem monitorar impulsos neurais, estimular nervos e oferecer informações sensoriais diretamente ao cérebro. (Fonte: ktsdesign/stock.adobe.com)

Vários desses tipos de implantes médicos ajudaram um número incontável de pessoas a obter melhorias na audição e visão. Houve até casos em que a tecnologia de circuito integrado foi implantada com sucesso para permitir que pessoas com deficiência de visão de cores enxerguem e diferenciem cores.

O alcance do sistema sensorial humano também pode ser estendido usando esses implantes; por exemplo, agora é possível ampliar o campo de visão para os raios infravermelho e ultravioleta. Os implantes auditivos também podem aumentar o alcance da audição e aplicar filtros específicos que permitem aos usuários ouvir estímulos que estão fora do alcance típico da detecção humana. Isso também pode ser obtido usando aparelhos auditivos vestíveis.

Mais recentemente, implantes mais sofisticados demonstraram a capacidade de usar computadores e compor textos a partir da decodificação de ondas cerebrais. Essas tecnologias podem mudar vidas, uma vez que membros e articulações artificiais motorizados podem ser controlados usando padrões de pensamento.

E com a introdução de processadores de IA implantáveis que podem aprender padrões complexos de ativação cerebral, agora é possível a comunicação com membros biônicos e protéses por meio de pensamento de formas e cores. Com processamento suficiente e funcionalidade de processador de sinal digital (DSP) os processadores implantados podem transmitir mensagens neurais através de nervos danificados, permitindo a transmissão de mensagens neuro sensoriais (por exemplo, sensações de calor e frio, toque).

Otimização de núcleos e periféricos do processador para tecnologia vestível avançada

Apesar das limitações de espaço, a tecnologia vestível externa pode incorporar uma ampla gama de processadores, dependendo das preferências dos engenheiros de projeto. Com vários processadores poderosos e multicore disponíveis, a seleção da combinação ideal de núcleos de processador e periféricos é crucial para corresponder o processador ideal ao dispositivo vestível apropriado.

Essa necessidade é atendida com os microcontroladores cruzados i.MX RT5000 da NXP Semiconductors, líder mundial em soluções de conectividade segura para aplicativos incorporados. Esses microcontroladores apresentam uma combinação de núcleos de processador e interfaces periféricas especificamente adaptadas para projetos vestíveis, oferecendo uma solução abrangente para várias aplicações.

O i.MX RT5000 é equipado com uma Unidade de Processamento Gráfico (GPU) 2D que inclui aceleração de gráficos vetoriais usando uma interface paralela de alta velocidade. Uma interface de exibição serial MIPI (MIPI DSI®) também é integrada ao chip para uma interface perfeita com os módulos de exibição serial. A interface LCD no chip permite a personalização rápida de dispositivos vestíveis para alavancar TFT, OLED, micro-LED e até tecnologias emergentes de exibição de quantum dots.

A série i.MX RT5000 também incorpora um robusto núcleo de processador Arm® Cortex®-M33 de 200 MHz desenvolvido para fornecer capacidade de resposta em tempo real. Esse recurso funciona com o SRAM de estado de espera zero on-chip de 5 MB, garantindo que o código crítico permaneça prontamente acessível, enquanto minimiza o tempo de atraso dos movimentos de dados.

Além disso, um núcleo Cadence Tensilica Fusion F1 DSP operando a 200 MHz pode gerenciar dados de processamento de sinais de vários sensores externos. Esses sensores podem detectar níveis químicos, como concentrações de açúcar ou hormônios, ou monitorar a atividade neural para transmissão de sensações ou mitigação da dor.

Para implementar funções como estimulação muscular direta e pulsos elétricos, são necessárias múltiplas interfaces para facilitar a comunicação com sensores e atuadores. Essas interfaces habilitam a interação de próteses mecanizadas com músculos, restaurando o controle e a mobilidade. O i.MX RT5000 inclui interfaces USB 2.0, SPI, I²C, UART e I²S de alta velocidade, que podem conectar sensores e estimuladores e módulos de comunicação sem fio. Essa adaptabilidade permite que os dispositivos vestíveis evoluam junto com os protocolos sem fio.

O i.MX RT5000 também possui várias interfaces flash, de criptografia e aceleradores matemáticos para implementar complexos algoritmos de segurança dinâmicos. A garantia e a segurança dos dados médicos e das interfaces corporais é fundamental para impedir o acesso não autorizado a dispositivos como marca-passos. O suporte avançado de segurança permite a comunicação segura com telefones ou redes externas, incluindo criptografia assimétrica, AES 256 e SHA2-256 (ECC e RSA). A inicialização segura e o armazenamento de chaves baseado em função fisicamente não clonável (PUF) também estão integrados. O gerenciamento avançado de energia minimiza o consumo de energia e uma conexão fusível protege o armazenamento da chave-raiz.

Conclusões

Em um período inferior a 60 anos, passamos de tecnologia extensiva e inserida cirurgicamente a tecnologia subdural e injetável de monitoramento e administração médica. Essas inovações não apenas salvaram e prolongaram vidas, como também melhoraram a qualidade de vida e possibilitaram que cuidadores e médicos atendessem mais pessoas com custos reduzidos.

O tamanho reduzido dos circuitos integrados e as tecnologias de semicondutores de menor potência permitiram o uso e a implantação de tecnologias mais sofisticadas e seguras. Embora este artigo não tenha analisado o vestuário como tecnologia vestível, as roupas também podem beneficiar a população, mas com desafios como manter a funcionalidade após a lavagem e a secagem.

O NXP i.MX RT5000 é um processador ideal para dispositivos vestíveis de última geração. Um ambiente de desenvolvimento maduro está pronto para usar e várias notas de aplicativos ajudam a guiar você através da criptografia AES, exemplos e usos de DSP, gerenciamento de energia e implementação de entradas e saídas (I/O) seguras.

Olhando à frente, espere ver dispositivos vestíveis e injetáveis mais ativos. Os adesivos inteligentes simplificarão a administração automatizada de medicamentos, especialmente quando acoplados a sensores implantados. A capacidade de usar RFID para identificação e verificação também pode ajudar a reduzir o roubo de identidade. Falamos muito sobre os benefícios médicos dos dispositivos vestíveis, mas quando nos tornamos parte da máquina, as possibilidades são ilimitadas.