Развитие электроники и увеличение количества умных устройств позволяют добиваться самых интересных результатов. Те вещи, которые раньше приходилось решать в рамках лаборатории, сегодня можно сделать просто с помощью смартфона. Умные гаджеты для спорта и здоровья тут правят всей планетой.
Более того, обойтись можно и без покупки специальных "крутых" устройств. Наверное только ленивый не видел в магазинах приложений ту или иную программу для подсчёта калорий, веса тела, календарей питания, шагомеров и прочие интересные штуки.
Такие программы позволяют делать практически что угодно. Вот только разрешит ли такое "веселье" физика? Или всё это маркетинг?
Я отобрал три наиболее популярных варианта гаджетов для здоровья, которые может заменить простая программа. Это шагомер, умный будильник и пульсометр. Будут ли они работать или не очень?
Давайте разбираться в базовых принципах и узнаем, не нарушает ли такая схема законы физики. Тут же отметим, что информация относится не только к смартфонам. Ведь одинаковые программные решения применимы и на умных колонках, смарт-часах и в прочих устройствах.
Шагомеры в умных устройствах
Функция измерения количества шагов - штука очень распространенная и полезная. Нужна она и для сохранения здоровья, и для контроля своей физической активности. Даже если исключить профессиональное использование, то можно высчитывать количество шагов каждый день и ставить собственные рекорды или соревноваться с друзьями. Но мы сейчас не об этом...
Задумывались ли вы когда-нибудь, как умные часы или смартфон подсчитывают количество шагов? Что же, ответ вас заинтригует. Не всегда точно. И виновата, как это обычно бывает, физика. Давайте рассмотрим принцип работы большинства гаджетов такого типа.
Пока ещё не состоялся активный "гаджетовый бум" и устройства типа кнопочных коммуникаторов были диковиной, в некоторых устройства можно было встретить встроенный шагомер. Точность тут хромала, поскольку шагомер был только лишь красивой функцией. Система измеряла пройденное расстояние как навигатор измеряет дистанцию. Потом эта дистанция делилась на длину шага человека. В итоге получали количество шагов.
Шаги у всех разны, а поэтому программа в начале запрашивала характеристики вашего тела и примерно сопоставляла длину шага и физические параметры. Естественно, что разница в подсчёте тут могла быть около 100%. Кроме того, без GPS устройство не могло точно рассчитать расстояние, а со спутником ранние смартфоны работать не умели.
Более современные устройства стали значительно точнее. Сегодня гаджеты считают лучше, так как датчиков стало больше. Возможны два основных варианта:
- В умном устройстве есть встроенный гироскоп
- Есть только сенсор положения
Собственно, алгоритм построен одинаково и там, и там. Но точнее будет измерять устройство с гироскопом. Программы стали сложнее.
Они фиксируют перемещение человека по спутнику, засекают расстояние, а дальше контролируют изменение положение гаджета в пространстве. Каждое циклическое изменение положения считает за шаг.
В ранних моделях сенсор реагировал на удар ногой по полу и это было довольно забавно, но сейчас шагомеры фиксируют именно колебания. Тут всё тоже не настолько точно, как хотелось бы. Но разница составляет всего 2-5% от реального значения, что ложится нормальную погрешность.
Самое интересное, что самые точные и современные шагомеры работают примерно по такому же принципу. Только датчик размещается на поясе или прямо на ноге. Главная проблема шагомера в смартфоне - он путает шаги и, например, прыжки на месте или катание на электросамокате. Датчик рядом с точкой касания земли значительно увеличивает точность.
Впрочем, базовая логика программ работает и без всяких дополнительных аксессуаров.
Будильник, который срабатывает когда оно нужно
Весьма занятная функция во многих гаджетах для здоровья - это пробуждение "хозяина" в наиболее подходящее время. Из теории сна известно, что если проснуться в неподходящее время и будильник выдернет вас из фазы глубокого сна, то весь день будешь потерянный.
Вот только как смартфон или умная колонка узнают, когда это сделать? Тут есть несколько наиболее популярных подходов:
- Проводится вычисление активности
- Измеряется пульс
- Фиксируется поведение
На самом деле, для высокой точности нужно измерять все токи в нервной системе и, само собой, умные устройства так не умеют. Но есть косвенные методы. И, как вы уже догадываетесь, они не самые точные.
Физика процесса простая. Самые дешевые устройства банально строят математическую модель, а дальше приложение высчитывает примерные данные по ряду сделанных наблюдений. Следующий вариант - использовать измерители пульса. В разных фазах сна разные варианты отличаются и легко попасть в нужный момент, используя основные знания о человеческом организме. Это уже точнее. Можно ещё фиксировать различные движения самого человека. Перед пробуждением обычно движений больше.
Самый точный вариант - интегрировать разу три показателя. Благо современные вычислительные мощности позволяют это сделать.
В некоторых случаях смартфон и без дополнительных аксессуаров может кое-что "намерить". Но для точности было бы полезно использовать отдельный модуль.
Пульсометры и абсорбция света. Какая связь?
Мы уже упомянули, что пульсометр - штука важная. Собственно, и здоровье, и нагрузки можно контролировать по частоте сердечных сокращений. Если вы когда-нибудь занимались спортом, то знаете, что показателем тренированности является способность выполнять одно и тоже упражнение, уменьшая при этом частоту сердечных сокращений каждый новый раз.
И наверняка вас удивит, что из всех относительно недорогих гаджетов именно пульсометр наиболее "физичен" и точен. Работает он благодаря абсорбции.
Три основных метода измерения частоты сердечных сокращений, которые регистрируются через пульс, включают механический, электрический и оптический.
Механический метод используется в обычных тонометрах для измерения перепадов давления, вызванных работой сердца. Электрический метод основан на обнаружении микротоков, которые генерируются сердечными мышцами во время сокращения. Он чаще всего используется в оборудовании для проведения ЭКГ и на нагрудных датчиках для измерения пульса.
Механический и электрический методы измерения пульса требуют плотного контакта датчика с телом, что является их недостатком и мешает применять технологию в умных гаджетах.
Однако, оптический пульсометр лишен этого недостатка, поскольку он просто должен иметь контакт с кожей, не обязательно плотный. И вот тут начинается магия.
В статьях на канале мы уже много раз отмечали, что свет - это энергия в форме электромагнитной волны. Энергия может испускаться, а может поглощаться. Причём, способность к поглощению зависит от цвета. Вы наверняка помните, что черный цвет интенсивно поглощает излучение. Ну а белый - поти полностью отражает. Цвет определяется длиной волны.
Если поверхность будет одного цвета, а падающая волна - другого подходящего, то зафиксировать поглощение будет не так сложно и даже относительно "слабая" электроника легко справится. Что же, в человеческом организме цветов не так много.
Теперь ещё кое-что. Когда сердце сокращается, то синхронно этому процессу капилляры у поверхности кожи интенсивно наполняются кровью. Если светить на кожу, то это можно наблюдать. Что же, так и поступим.
Про цвета вспомнили не случайно. Капилляры красные. Светим на них зеленым светом и получаем хорошее поглощение, которое легко регистрировать. По этим точкам поглощения пучка определяем количество сокращений сердца и частоту пульса.
Получаем технологию, которая позволяет высчитывать множество других связанных параметров. Точность такого гаджета довольно высокая. Но это не значит, что работает он всегда идеально.
К слову, без дополнительного сенсора или выносного датчика смартфон, по очевидным причинам, измерять параметр не сможет. Но при его наличии будет работать исправно и даже...относительно точно.
У технологии есть свои проблемы и если вам интересно узнать какие они, то напишите про это в комментариях. Сделаем отдельный материал.
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта! Там самое интересное.
✅ Поддержать проект монеткой или задать вопрос можно тут! Здесь же я публикую фрагменты будущей книги, которую могут читать подписчики
👉💖 Ставьте лайки материалу, подписывайтесь на проект!
