INTERFACES MAQUINA-HOMBRE La electrónica aplicada directamente al ser humano por: Heriberto Paz

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Los aparatos electrónicos relacionados al ser humano se han utilizado realmente durante décadas, por ejemplo, los audífonos, marcapasos y otros dispositivos médicos que son comunes en la sociedad actual. De hecho, el diseño original de muchos dispositivos electrónicos de consumo, como los teléfonos celulares, que a veces se usan como reproductores de música portátiles, no se diseñaron inicialmente como tal, pero se han ido adaptando según las necesidades del consumidor para la función y la conectividad durante la marcha. Los dispositivos de vestir electrónicos han evolucionado desde los dispositivos que salvan la vida hasta accesorios de moda. Además, abarcan desde brazaletes para monitorear la actividad, relojes inteligentes y lentes inteligentes hasta zapatos con GPS. Todos ellos ahora tienen una gran demanda en el mercado.

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Dispositivo de vestir electrónico inteligente.

 
Aunque las apariciones de los dispositivos de vestir electrónicos derivan principalmente de la demanda del consumidor, hay una variedad de aplicaciones de vestir, que incluye:
Infoentretenimiento: se utiliza para informar y entretener, lo que incluye música, fotos, videos, direcciones y correo electrónico.
Seguimiento de actividades: se utiliza para controlar las actividades y funciones como caminar, dormir, frecuencia cardíaca y consumo de alimentos con el fin de proporcionar a los consumidores individuales una retroalimentación inmediata y vital sobre la cual pueden tomar medidas al modificar su comportamiento.
Monitoreo de la salud: se utiliza para monitorear una condición diagnosticada, y luego para apoyar el diagnóstico, aunque los requisitos reglamentarios y la preocupación por privacidad exigen un largo período de desarrollo y pruebas para dicha tecnología.
Industriales y empresariales: se centra en las terminales de pulsera con el fin de proporcionar datos en tiempo real, que incluyen el monitoreo de los procesos de fábrica y la actualización del stock de almacén. Se espera que las gafas y las pulseras inteligentes reciban una adopción rápida para los trabajadores remotos “sin escritorio” en el segmento industrial.
Sistemas militares: se integran redes personales, sensores, comunicaciones externas y el poder para administrar estos sistemas. Uno de los objetivos es vincular a los soldados en un campo de batalla más grande, con conectores y subsistemas de cables de conexión necesarios para ser de alto rendimiento, duraderos y resistentes, pero de peso ligero para los soldados que están en pie.
Definición de los dispositivos de vestir electrónicos
Un dispositivo de vestir electrónico se puede definir como uno que tiene inteligencia, y es capaz de tomar la entrada, procesar esa entrada y proporcionar la salida significativa. Por ejemplo, una función de un brazalete de actividad toma los datos sin procesar de un sensor, lo procesa y genera un informe sobre el número de pasos tomados durante un período determinado. Los sensores rastrean el movimiento con la inteligencia suficiente para distinguir entre los pasos y otros movimientos.

 

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Los sensores son una parte importante de los dispositivos de vestir electrónicos, y son cada vez más pequeños y más sofisticados. Aunque existen muchos tipos de sensores que pueden ser utilizados, el más común es una unidad de medición inercial, por lo general, un acelerómetro. Un acelerómetro puede rastrear un movimiento específico, su dirección y su intensidad o velocidad. Un ejemplo simple de un acelerómetro es cuando un teléfono móvil o una tableta (la entrada) se gira y el dispositivo procesa el movimiento y gira la pantalla en consecuencia (la salida).
Otros sensores comunes, como la presión, la temperatura, la posición y la humedad, soportan aplicaciones tales como brújulas, GPS y giroscopios para detectar el movimiento. Los sensores utilizados en aplicaciones médicas se pueden utilizar para medir y monitorear la circulación de la sangre, el pulso, la presión arterial, los niveles de oxígeno en la sangre, el movimiento muscular, la grasa corporal y el peso corporal.
Los dispositivos de vestir electrónicos deben ser capaces de comunicarse con el mundo exterior. Aunque la conectividad inalámbrica a través de la radio de corto alcance o de otros protocolos inalámbricos son populares, se requiere comúnmente de la conectividad a través de un puerto USB.
Muchos dispositivos de vestir tienen una pantalla de video o una pantalla táctil para la interacción del usuario. La facilidad de uso es un desafío importante para este tipo de pantallas pequeñas. Incluso una pantalla de alta resolución de un reloj inteligente no ofrece mucho de la situación real. El mantenimiento de la usabilidad requiere el equilibrio correcto entre cuánto puede caber en la pantalla en comparación con cuán legible es la información resultante. La gestión del consumo de energía de estas pantallas es un motivador importante para los principales fabricantes de los dispositivos de vestir. Los dispositivos de vestir deben ser alimentados por baterías recargables u otros métodos de carga. Esto normalmente requiere un puerto de alimentación conectado para recargar las baterías. La transmisión de potencia inalámbrica está emergiendo como una característica clave para integrarse en los nuevos dispositivos de vestir y presenta la necesidad de impermeabilización.
Otra característica común de los dispositivos de vestir electrónicos es la capacidad de ejecutar una variedad de aplicaciones, mientras se actualiza o se cambia una aplicación. Un reloj inteligente, por ejemplo, es similar a un teléfono móvil. Es una computadora que permite al usuario realizar una variedad de tareas durante la conexión independiente a Internet para las actualizaciones o descargas de aplicaciones críticas.
Dispositivos de vestir electrónicos y la Internet de las cosas
Los dispositivos de vestir electrónicos son un subconjunto de la Internet de las cosas (IoT). IoT es la migración de la Internet más allá de la gente. Un ejemplo es el uso de un teléfono o un reloj inteligente para desbloquear remotamente un hogar, controlar el termostato y activar o desactivar un sistema de seguridad desde cualquier lugar del mundo.
IoT también puede funcionar sin la intervención humana. Un reloj inteligente puede ser preprogramado para subir la temperatura en las mañanas frías y bajar la temperatura en la noche, o revisar el pronóstico y luego ajustar la temperatura de la casa en base a esa información.

 

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Protocolo de la Internet en todas partes: la clave para la IoT

 
El factor clave en la IoT es el uso del Protocolo de Internet (IP). El IP es un protocolo de comunicaciones utilizado por Ethernet y la Internet para controlar el flujo de la información. Cada dispositivo conectado tiene una dirección de IP. Cada dispositivo con una dirección de IP tiene la capacidad de comunicarse con cualquier otro dispositivo de IP. Los Firewall, contraseñas y otras medidas de seguridad controlan qué dispositivos se comunican entre sí. Los dispositivos de vestir electrónicos, en virtud de una dirección IP, se unen a la IoT.
Una de las ventajas de ser parte de la IoT es que los dispositivos de vestir electrónicos no tienen que existir como dispositivos independientes. Los datos de actividad de un brazalete de actividad física se pueden descargar a una aplicación en una computadora. Esta aplicación puede proporcionar un análisis detallado de las tendencias a lo largo del tiempo con el fin de seguir el progreso. El reproductor de música en un reloj puede recuperar canciones mediante el uso de computación en la nube (“la nube”). El resultado final es que la gente de todo el mundo pueda interactuar con las cosas –televisores, casas, carros, electrodomésticos y dispositivos que salvan la vida– como resultado de un pequeño dispositivo, que está cerca o sobre nuestros cuerpos, con solo profundizar en el mundo de los dispositivos de vestir electrónicos y la IoT.
Lo pequeño es hermoso: desafíos del empaque
Los dispositivos de vestir electrónicos están habilitados por la miniaturización y la integración de componentes, que permiten que las funciones de gran alcance sean empaquetadas en un espacio muy pequeño. Los sensores, los chips de computadoras, las cámaras, los altavoces y otros componentes siguen haciéndose más pequeños mientras se vuelven cada vez más veloces.
El empaquetado de estos componentes en el factor de forma correcta y el nivel adecuado de capacidad de fabricación es un desafío. Actualmente se trabaja estrechamente con los diseñadores y fabricantes de los dispositivos de vestir electrónicos. La Figura 2 muestra las soluciones de los conectores típicos para un reloj inteligente. La característica clave para la mayoría de estos, así como para otros componentes, es un perfil bajo con un pequeño espacio. El perfil bajo es especialmente importante para permitir que el propio dispositivo asuma un diseño delgado.

 

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Soluciones de los conectores del reloj inteligente.

 

 
Con la situación real existente, la integración de las partes no solo simplifica el sistema, sino que utiliza el espacio disponible para lograr la máxima eficiencia. Las antenas pueden incrustarse directamente en la carcasa, como se muestra en la Figura 3 para un teléfono móvil. Tales dispositivos de interconexión moldeados (MID) y tecnologías de antenas impresas emergentes permiten que se integren rastros de circuito, planos de tierra y blindaje en la pieza moldeada. El sustrato puede ser un plástico técnico o un compuesto. Los componentes se vuelven cada vez más atractivos en su capacidad para aumentar la resistencia del material y pueden ser moldeados y metalizados de manera rentable.

 

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Las antenas y otros elementos del circuito pueden ser incrustados en los sustratos de plástico.

 
Proceso de resistencia
Muchos sistemas de dispositivos de vestir están diseñados para ser utilizados durante la práctica de deportes y otras actividades de resistencia. La resistencia como un concepto es relativa y solo puede definirse en términos de la aplicación. Los requisitos de resistencia para un monitor cardíaco son diferentes a los de un monitor de actividad usado por un ciclista. Los dispositivos de vestir de soldado operan en un nivel completamente diferente de los de resistencia, que requieren rangos de temperatura más amplios, mejor resistencia a los choques y vibraciones y resistencia a los productos químicos o solventes que arruinarían un dispositivo de consumo.
La creación de dispositivos de vestir electrónicos más resistentes a los peligros ambientales hará que los dispositivos sean más fiables y más fáciles de usar. Usted puede lograr un cierto grado de resistencia a la intemperie mediante el uso de un puerto USB y una tapa de goma a prueba de salpicaduras, pero esto no hace que el dispositivo sea resistente al agua. Los diseñadores buscan cerrar las aberturas de los dispositivos para lograr un sellado de IP67/68 para un diseño resistente al agua. La protección de ingreso (IP) se utiliza para especificar la protección ambiental de recintos alrededor de los equipos electrónicos. La impermeabilización no solo produce un diseño más resistente, sino también promueve un uso más fácil. Algunos enfoques, como la transmisión de potencia inalámbrica, están surgiendo en el mercado.
Cable unido magnéticamente: los conectores USB y similares utilizan un ajuste por fricción para mantener los conectores acoplados. Un enfoque alternativo, que se muestra en la Figura 4, utiliza imanes para mantener el conector en su lugar con los contactos accionados por resorte en el lado del cable. Los contactos e imanes del lado del dispositivo pueden ser sellados para evitar que los líquidos y la humedad entren en el dispositivo. A diferencia del acoplamiento de conectores micro USB, los imanes ayudan a tirar del cable en la posición correcta.

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Cable unido magnéticamente.

 
Conexiones de datos sin contacto: se usan accesorios y transceptores magnéticos tanto en el dispositivo como en el arnés de cables para crear una conexión inalámbrica. Este enfoque puede soportar protocolos de E/S de alta velocidad, tales como USB 2.0 y 3.0. La corta distancia entre transceptores proporciona una conexión de bajo consumo.
Carga inalámbrica: las baterías se pueden cargar sin una conexión eléctrica directa. La carga inalámbrica, o carga inductiva, utiliza bobinas de inducción en la unidad de carga y dispositivos electrónicos para cargar el dispositivo. El campo electromagnético creado por la bobina de carga permite que la energía se transfiera a la bobina receptora, la cual actúa como un transformador. Las ventajas de la carga inalámbrica incluyen:
• Mayor durabilidad: no hay desgaste de conectores.
• Mayor fiabilidad: ningún puerto del conector proporciona entrada para los contaminantes.
• Uso más fácil: no hay conectores pequeños para acoplar.
• Libertad de diseño: los diseñadores industriales son libres de crear formas nuevas e inusuales para los dispositivos.
• Vida más larga: la construcción de transmisores de potencia en objetos comunes significa que los dispositivos se cargan continuamente.
Las desventajas de la carga inalámbrica incluyen menor eficiencia, mayor generación de calor y carga más lenta. Cada uno de estos temas están relacionados y se mejorarán por nuevas estructuras helicoidales y frecuencias de acoplamiento superiores. La mayoría de los dispositivos de vestir son extremadamente de baja potencia, es decir, el impacto de estas desventajas puede ser mínimo.
Textiles inteligentes y ropa electrónica
Otra tendencia en dispositivos de vestir es integrar los sensores y los dispositivos electrónicos en los textiles, desde la ropa deportiva de especialidad hasta la ropa de todos los días. El desafío es crear ropa electrónica que pueda ser tratada como la otra ropa, que sea cómoda, flexible y lavable. Las interconexiones y la electrónica deben ser discretos y resistentes. Para ello es necesario:
• Terminaciones confiables que estén aisladas y que sean fuertes y resistentes al agua.
• Soluciones de antenas y transceptores basadas en prendas de vestir flexibles.
• Cable aislado y conductor que se estire
• Baterías pequeñas que se puedan secar.
• Circuitos impresos/circuitos flexibles resistentes a pliegues y arrugas.
El desafío del mercado de dispositivos de vestir electrónicos es crear componentes que puedan ofrecer datos útiles para mejorar nuestras vidas. Ya sea de uso en la muñeca, cabeza o pie, los aparatos de vestir deben estar a la moda, ser resistentes y fácilmente recargables.

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