Носи носки

Пациентам с деменцией нужен постоянный присмотр, но это не всегда возможно. Специальные носимые устройства, например браслеты, помогают медперсоналу или опекунам отслеживать состояние больного онлайн. Но гаджеты могут вызывать дискомфорт и желание избавиться от постороннего предмета на теле и к тому же легко теряются: сняли подзарядить, а надеть потом — забыли.

Инженеры из британского стартапа MilBotix создали устройство SmartSocks, которое выглядит, как обычные носки. Вот только сшиты они из «умного текстиля» со встроенными электронными компонентами и массивом сенсоров. При этом носки выдерживают машинную стирку и не требуют зарядки.

SmartSocks собирают со стопы и лодыжки владельца физиологические показатели: число сердечных сокращений, количество выделившегося пота и данные о двигательной активности. Эта информация передается по беспроводному каналу в приложение на смартфоне, а оттуда — в облако, где обрабатывается алгоритмами машинного обучения. Они распознают признаки возбуждения, стресса, тревоги и двигательного беспокойства на ранней стадии. А приложение предупреждает врачей или родственников, что пациенту вскоре может понадобиться их помощь.

Сейчас технологию тестируют в двух исследовательских проектах. Первый ведет команда из Центра исследований и технологий ухода Британского института исследований деменции при Имперском колледже Лондона. Там разрабатывают концепцию «умного дома» для людей с деменцией, чтобы сделать их жизнь вне госпиталя более безопасной и комфортной. Во втором проекте специалисты из Эксетерского университета проверяют, могут ли SmartSocks помочь персоналу в домах престарелых поддержать людей, которые не могут сообщить об уровне своего волнения или причине стресса.

Источник: Milbotix / X

Сахарный диабет часто осложняется трофическими язвами на ногах из-за поражения нервов и кровеносных сосудов. В запущенных случаях единственный выход — ампутация. Но чем раньше пациент начнет заботиться о своих ногах, тем выше шанс сохранить их здоровыми.

Инженеры из компании Siren Care разработали умные носки, которые способны заметить начало воспаления и заранее предупредить диабетика о том, что нужно лечение. Носки сделаны из умной ткани Neurofabric. По сути, это несколько температурных микросенсоров, вплетенных в текстиль. Они измеряют температуру стоп пациента в шести точках каждые десять секунд. Повышение температуры ассоциируется с началом воспаления, которое ведет к развитию диабетической язвы.

Фиксируя рост температуры, носки отправляют предупреждение на телефон пользователя по Bluetooth. Если у пациента нет телефона, компания предоставляет устройство Siren Hub. Оно сопрягается с беспроводным модулем в носках и передает информацию медицинскому персоналу компании, который в свою очередь связывается с пользователем.

Носки Siren можно стирать в машинке, но, как и у обычных носков, ткань со временем разнашивается. А для правильной работы датчиков нужно, чтобы они плотно прилегали к коже. Поэтому компания поставляет подписчикам несколько новых пар носков каждые полгода.

Siren Socks: (A) кругом обведен контейнер, внутри которого микроконтроллер, акселерометр, чип Bluetooth и батарея, (B) области в которых измеряется температура.

Источник: A. M. Reyzelman et al. / Journal of medical internet research, 2018

Представьте, что после тяжелого дня вы прилегли посмотреть несколько серий любимого сериала, но заснули, а проснувшись обнаружили, что идет бог весть какой эпизод. Чтобы помочь своим зрителям не оказываться в этой досадной ситуации, компания Netflix накануне рождества 2015 года опубликовала инструкцию, при помощи которой можно превратить обычные носки в умное устройство, которое остановит просмотр, если зритель уснул.

Источник: Netflix

Устройство представляет собой войлочную вставку с платой Arduino Pro Trinket, аккумулятором и чувствительным акселерометром. Вкладыш прикрепляется к манжете носка изнутри, а снаружи остается язычок с одним индикаторным и двумя инфракрасными светодиодами. Алгоритм анализирует изменения в двигательной активности зрителя по данным акселерометра и довольно точно определяет, бодрствует человек или уснул. В последнем случае загорается красный индикатор, предупреждающий о скором срабатывании устройства, после чего, если пользователь так и не пошевелился, через инфракрасные светодиоды носок, как пульт, выключает фильм.

Благодаря двум широкоугольным инфракрасным светодиодам носок срабатывает, даже если нога повернута от телевизора. Также можно усложнить помощника: с радиопередатчиком и инфракрасным ретранслятором сигнал пройдет из-под одеяла или пледа.

Сегодня сайт с инструкциями от Netflix недоступен, но на YouTube-канале компании сохранилось видео с презентацией устройства.

Экзотический гаджет предложила группа инженеров из Университета Западной Англии. Исследователи разработали носимые на ногах микробные топливные элементы, напоминающие гетры. Ресурсом для производства энергии стала человеческая моча, циркулирующая внутри устройства за счет механического давления и силы тяжести.

Система состоит из пластиковых трубок, которые соединяются с механической помпой под пяткой. При каждом шаге человек давит на помпу, и моча поднимается вверх к закрепленным на голени двенадцати топливным элементам. Пройдя сквозь них, она стекает обратно по нисходящим трубкам. Затем цикл повторяется. При ходьбе процесс становится непрерывным, и генерируется электричество.

Микробные топливные элементы тоже выполнены в виде трубок. Их внутренняя поверхность выстилается электродами: катодом и анодом, которые разделяет мембрана, пропускающая только ионы водорода Н⁺. На аноде микроорганизмы разлагают химические вещества из мочи — мочевину, креатинин, соли — и при этом выделяют протоны и электроны. Последние по проводам бегут в суперконденсаторы и питают подсоединенные устройства. Затем возвращаются из внешней электрической цепи на катод и там вместе с протонами, которые проскочили через мембрану, образуют воду, реагируя с кислородом воздуха.

Вырабатываемая мощность невелика: максимум 110 микроватт. Но этого инженерам хватило, чтобы запитать небольшой радиопередатчик для отправки текстового сообщения с интервалом в две минуты. При 90 шагах в минуту запасов свежей урины в резервуаре устройства хватает на 40 минут работы.

Источник: M. Taghavi / Bioinspiration & Biomimetics, 2015

Современные протезы могут оснащаться системами обратной связи, которые позволяют ощущать давление на конечность и даже прикосновения к предметам. Но такие изделия стоят очень дорого, и каждые несколько лет их надо менять из-за износа. Позволить это себе могут немногие. В то же время у обычных протезов минимум функций, а самые дешевые из них, если речь о нижних конечностях, служат лишь опорой во время ходьбы. Их владельцы не могут выполнять более сложные действия, например крутить педали велосипеда.

Впрочем, у этой проблемы, похоже, есть решение. Австрийские инженеры придумали способ расширить возможности любых протезов с помощью универсальной неинвазивной системы обратной связи. Внешне устройство выглядит как носок, определяет давление в шести зонах искусственной стопы и вибрацией передает эту информацию пользователю.

Умный носок состоит из трех слоев: пьезорезистивной ткани в середине и токопроводящих полос внутри и снаружи. Полосы перекрещиваются, образуя чувствительную эластичную матрицу. Данные о давлении, изгибе или прикосновении передаются на браслет с шестью вибромоторами, по одному на каждую из зон. Вибрируют моторы с разной силой в зависимости от интенсивности сигнала. Пользователь закрепляет браслет на руке, торсе или другой части тела с помощью липучки.

Тестирование умного носка с обратной связью показало, что надо настраивать его индивидуально для каждого пользователя. Восемь опрошенных людей с ампутированными нижними конечностями обозначили разные зоны стопы, которые им важно чувствовать. При этом большинство добровольцев согласились, что система обратной связи от протеза может помочь им выполнять повседневные задачи более безопасно и эффективно.

Источник: J. Leong et al. / UIST 2016

Умные носки бывают не только для взрослых, но и для грудничков. Американская компания Owlet уже около десяти лет разрабатывает и продает системы мониторинга жизненных показателей для детей — в виде умного носка с функцией трекинга сна. Устройство, созданное инженерами компании, надевается на ногу ребенка и отслеживает частоту сердечных сокращений и уровень кислорода в крови с помощью пульсоксиметра, а также двигательную активность по акселерометру. Данные отправляются на сопряженный с устройством смартфон с приложением, через которое можно удаленно следить за показателями и получать оповещения. Например, устройство способно сообщить родителям, что ребенок перевернулся или проснулся, а также в целом определяет качество сна малыша.

В 2021 году Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США (FDA) вынесло предупреждение компании, и продажи остановили. Претензия надзорного органа заключалась в том, что Owlet должна была зарегистрировать свою продукцию как медицинское устройство. Позднее новая модель носка-пульсоксиметра BabySat прошла аттестацию как медицинский прибор и теперь продается по рецепту врача.

Источник: Owlet

Популярный способ следить за показателями физической активности — фитнес-браслеты. По информации со встроенных датчиков — пульсометра, акселерометра, гироскопа и GPS-трекера — рассчитывается число шагов, пройденное расстояние, скорость пользователя и потраченные калории. Но более точно количество шагов и каденс на пробежке покажут умные носки от компании Sensoria. Они способны дополнить фитнес-трекеры, собирая данные о двигательной активности прямо с ног.

В подошву одного из пары носков вшиты текстильные мягкие сенсоры, которые в трех точках ступни измеряют давление при каждом шаге. А в съемном легком беспроводном модуле Core — акселерометр, магнетометр и гироскоп, а также Bluetooth, чтобы передавать всю информацию в приложение на смартфоне.

Кроме стандартных показателей шагомера приложение оценивает технику приземления на стопу и ударную нагрузку при ходьбе или беге. Это позволяет устройству распознавать стиль бега пользователя и предлагать рекомендации, чтобы скорректировать его и снизить вероятность получения травм.

Источник: Sensoria Fitness

Кстати, к умным носкам прилагается не менее умная футболка со встроенным датчиком сердечного ритма.

Идее преобразовывать движения тела при ходьбе или беге в электричество с помощью умной одежды уже много лет. Один из возможных способов связан с трибоэлектрическим эффектом — появлением в материале электрических зарядов из-за трения.

Инженеры из Сингапура под руководством Ли Чжэнго использовали это явление в своей разработке — прототипе умного носка, с помощью которого можно управлять персонажем в виртуальной реальности. В основе технологии — текстильные трибоэлектрические наногенераторы (T-TENG), используемые как для выработки энергии, так и в роли сенсоров давления. Они состоят из двух внешних непроводящих слоев, между которыми два проводящих слоя из металлизированного полиэстра. Один из них покрыт нитрилом, а другой — силиконом с рельефной поверхностью в виде матрицы из усеченных пирамидок в три миллиметра высотой. При механической нагрузке во время ходьбы между внутренними слоями происходит перераспределение электрических зарядов и возникает напряжение. За 300 шагов в спокойном темпе можно зарядить конденсатор емкостью 27 микрофарад до восьми вольт. Этого хватит модулю Bluetooth, чтобы передать на смартфон данные с датчиков температуры и влажности на носке.

Информация с трех таких трибоэлектрических сенсоров, размещенных на подошве носка, обрабатывается и очищается от посторонних сигналов с помощью расположенного на теле пользователя модуля с микроконтроллером. Затем данные передаются по беспроводному каналу на персональный компьютер на вход предварительно обученной нейросети, которая распознает действия пользователя — ходьбу на месте, скольжение, прыжки, бег — и передает результат в виде команд в видеоигру.

При этом алгоритм может выделять паттерны, присущие конкретному игроку. Так что возможные применения умного носка не ограничиваются развлечениями. Его можно использовать, к примеру, чтобы идентифицировать людей в системе управления умным домом. А если добавить датчики температуры и влажности, то устройство подойдет для отслеживания состояния здоровья пациентов или показателей физической активности спортсменов на тренировке.

Источник: Zixuan Zhang et al. / npj Flexible Electronics, 2023