Una scarpa con intelligenza artificiale analizza la camminata e produce energia
Una scarpa sportiva capace di produrre energia mentre viene utilizzata e, nello stesso tempo, analizzare il modo in cui una persona cammina potrebbe aprire una nuova strada nel campo della tecnologia indossabile. Il prototipo sviluppato dagli ingegneri della Rutgers University integra infatti sensori, un piccolo processore e un sistema di intelligenza artificiale direttamente all’interno della calzatura, sfruttando l’energia generata dai movimenti del piede per alimentare il dispositivo. L’obiettivo non è soltanto realizzare una scarpa tecnologica più autonoma, ma sviluppare uno strumento che in futuro possa raccogliere informazioni sulla deambulazione durante la vita quotidiana, al di fuori degli ambienti clinici e dei laboratori specializzati.
Perché analizzare la camminata può essere importante per la salute?
Il modo in cui una persona cammina contiene una quantità significativa di informazioni sul funzionamento del corpo. Velocità , equilibrio, ritmo e lunghezza dei passi possono cambiare in presenza di alcune condizioni neurologiche, dopo un infortunio o durante un percorso di riabilitazione. Per questo la valutazione della deambulazione viene già utilizzata in ambito medico, anche se normalmente avviene attraverso osservazioni relativamente brevi effettuate in clinica o mediante apparecchiature specifiche.
Una tecnologia indossabile potrebbe modificare questo approccio consentendo di osservare il movimento mentre una persona svolge le proprie attività quotidiane. In prospettiva, un sistema di questo tipo potrebbe contribuire al monitoraggio di persone affette da Parkinson, lesioni cerebrali o del midollo spinale, oppure essere utilizzato durante la riabilitazione per raccogliere dati sull’evoluzione del movimento. Tra le possibili applicazioni future rientra anche lo studio dei cambiamenti associati al rischio di caduta, ma è importante distinguere queste prospettive dalle capacità effettivamente dimostrate dal prototipo.
Come riesce una scarpa a produrre l’energia necessaria?
La parte più interessante del progetto riguarda proprio l’autonomia energetica. I componenti elettronici sono collocati nella zona del tallone, dove il movimento del piede genera pressione e attrito. Il sistema sfrutta il cosiddetto effetto triboelettrico, un fenomeno collegato all’elettricità statica che si manifesta quando determinati materiali entrano in contatto, si sfregano e successivamente si separano.
Ogni passo genera quindi piccoli impulsi elettrici. Il problema è che questa corrente non arriva in una forma immediatamente utilizzabile dai sensori e dal processore: il segnale è infatti irregolare e deve essere opportunamente trasformato. Per questo il gruppo di ricerca ha sviluppato un circuito capace di convertire l’energia prodotta dal movimento in una corrente adatta ad alimentare il sistema elettronico. Secondo i dati presentati dalla Rutgers University, questa soluzione ha permesso di ottenere fino a 120 volte più energia utile rispetto a un metodo convenzionale.
Il principio alla base del progetto è relativamente semplice: quando una persona cammina o corre dispone già di una fonte di energia biomeccanica che normalmente viene dispersa. Trasformarne una piccola parte in elettricità significa poter alimentare strumenti elettronici senza dipendere necessariamente da una batteria tradizionale da ricaricare.
Come funziona l’intelligenza artificiale integrata nella scarpa?
Il dispositivo incorpora un accelerometro, un sensore in grado di misurare il movimento del piede lungo tre direzioni. I dati raccolti vengono analizzati direttamente da un piccolo processore attraverso un modello di intelligenza artificiale progettato per riconoscere differenti schemi di movimento. In questo modo il sistema non deve inviare continuamente le informazioni a uno smartphone, a un computer o a un server esterno.
Questa elaborazione direttamente sulla scarpa rappresenta un elemento importante del progetto, perché riduce il consumo energetico associato alla trasmissione dei dati. Il dispositivo classifica ogni intervallo di 15 secondi in una delle quattro attività considerate nella sperimentazione: camminata lenta, camminata veloce, corsa e salita delle scale. Con i dati raccolti durante i test, il sistema ha raggiunto una precisione del 95,4% nel distinguere queste quattro modalità di movimento.
Il risultato, tuttavia, va interpretato nel contesto della sperimentazione. Non significa che la scarpa sia già in grado di riconoscere qualsiasi comportamento motorio o di individuare una malattia. Il modello è stato addestrato e testato sulle attività previste dallo studio e con un gruppo molto ristretto di partecipanti.
Perché è stato necessario semplificare l’intelligenza artificiale?
Uno dei problemi più complessi non riguardava soltanto la precisione dell’algoritmo, ma il rapporto tra capacità di elaborazione e disponibilità energetica. Un sistema indossabile deve infatti essere abbastanza intelligente da interpretare i dati, ma contemporaneamente abbastanza efficiente da poter funzionare con una quantità estremamente ridotta di energia.
La prima versione del programma analizzava 21 caratteristiche del movimento e raggiungeva una precisione del 98,1%. Il modello, però, richiedeva una quantità di memoria superiore a quella disponibile nel piccolo processore integrato nella scarpa. Gli sviluppatori hanno quindi cercato di individuare quali informazioni fossero realmente indispensabili.
L’analisi ha mostrato che le variazioni del movimento registrate nelle tre direzioni dall’accelerometro contenevano gran parte delle informazioni utili. Riducendo il numero di caratteristiche analizzate, il gruppo è riuscito a ottenere un sistema più leggero, con una precisione del 95,4%, ma anche circa 15 volte più veloce e capace di utilizzare soltanto circa un sesto della corrente richiesta dal modello iniziale.
È proprio questo equilibrio tra elaborazione e consumo energetico a rappresentare uno degli aspetti centrali della ricerca. L’obiettivo non è costruire semplicemente un dispositivo dotato di intelligenza artificiale, ma realizzare una tecnologia che possa produrre autonomamente l’energia necessaria per elaborare ciò che rileva.
Quanta energia consuma la scarpa durante l’utilizzo?
Nel complesso, il sensore e il sistema di elaborazione consumano circa 86 microwatt. Durante le prove di laboratorio, una camminata lenta è risultata sufficiente a generare l’energia necessaria per mantenere operativo il dispositivo.
Il dato è significativo perché mostra la possibilità concreta di combinare raccolta energetica e intelligenza artificiale direttamente sul dispositivo, evitando almeno in parte la dipendenza dalle batterie ricaricabili. La soluzione potrebbe risultare particolarmente interessante per i dispositivi indossabili destinati a un monitoraggio prolungato, dove la necessità di ricaricare frequentemente una batteria può rappresentare un limite pratico.
Il progetto, tuttavia, non elimina automaticamente tutti i problemi legati all’autonomia. La quantità di energia disponibile dipende dal movimento dell’utilizzatore e quindi dalle condizioni reali di impiego. Proprio per questo saranno necessarie ulteriori sperimentazioni prima di capire quanto il sistema possa funzionare in maniera affidabile al di fuori dell’ambiente controllato del laboratorio.
La scarpa può già diagnosticare malattie o prevedere le cadute?
No. Il prototipo non è uno strumento diagnostico e i risultati ottenuti non consentono di stabilire che possa diagnosticare il Parkinson, prevedere una caduta o determinare l’efficacia di un trattamento. Queste applicazioni appartengono, al momento, alla prospettiva futura indicata dai ricercatori.
Lo studio pubblicato su Science Advances ha coinvolto soltanto quattro partecipanti sani, di età compresa tra 23 e 26 anni. Il sistema non è stato quindi testato su persone anziane, pazienti con disturbi del movimento o individui impegnati in percorsi di riabilitazione. Sono differenze fondamentali, perché i movimenti di una popolazione clinica possono essere molto più complessi e variabili rispetto a quelli osservati durante la sperimentazione.
La ricerca indica dunque una direzione tecnologica, non ancora una soluzione medica pronta per l’utilizzo quotidiano. Saranno necessari studi più ampi, condotti su popolazioni differenti e in condizioni reali, per verificare se le informazioni raccolte dalla scarpa possano effettivamente diventare uno strumento utile per professionisti sanitari.
Quali potrebbero essere le prossime applicazioni della tecnologia?
Il lavoro realizzato alla Rutgers University potrebbe comunque rappresentare un passo verso una nuova generazione di dispositivi indossabili autonomi, capaci di raccogliere dati e analizzarli senza dipendere continuamente da batterie, smartphone o infrastrutture esterne. I ricercatori hanno indicato la possibilità , con ulteriori sviluppi, di adattare la piattaforma anche al monitoraggio dell’attività cardiaca, di segnali chimici dell’organismo o di altri parametri legati alla salute.
Nessuna di queste funzioni, però, è stata dimostrata dal modello attuale. Il valore della ricerca risiede soprattutto nell’aver mostrato come sensore, sistema di raccolta dell’energia, processore e intelligenza artificiale possano essere progettati come un unico sistema integrato. È un approccio che potrebbe diventare particolarmente rilevante nel futuro dei dispositivi indossabili: invece di aggiungere semplicemente nuove funzioni a strumenti già esistenti, si cerca di ripensare l’intera architettura affinché il dispositivo possa percepire, elaborare e alimentarsi sfruttando direttamente l’ambiente e i movimenti dell’utilizzatore.