Les avancées technologiques rapides ont changé notre façon de vivre et de travailler ; notre manière de consommer le divertissement et l'information, notre façon de communiquer les uns avec les autres, et notre manière de travailler et de jouer. Aujourd'hui, il y a plus d'ordinateurs dans chaque foyer qu'il n'y en avait dans les grandes entreprises il y a 50 ans, et nous avons plus de puissance informatique et de communication dans nos poches, avec les smartphones, que quiconque il y a dix ans.
Malgré le changement, ce qui reste constant au cours des décennies est la préoccupation principale des gens pour leur bien-être et celui de leurs familles. Et c'est donc sans surprise que l'un des domaines connaissant la croissance la plus rapide pour les applications smartphones est la santé et le bien-être. Ces applications reposent sur la capacité des nouveaux systèmes de capteurs à recueillir des informations sur nos activités, du comptage des pas au calcul des calories brûlées, en passant par la surveillance du rythme cardiaque.
Prémices
En 2012, Plessey Semiconductors a présenté l'un des tous premiers prototypes d'appareil de santé personnelle portable : un moniteur de fréquence cardiaque sous la forme d'une montre (Figure 1). La conception de référence détectait des signaux d'électrocardiographe (ECG) à l'aide de l'électrode du capteur située à l'arrière de l'appareil en contact permanent avec le poignet ; le fait de toucher une seconde électrode sur l'avant de l'appareil avec un doigt de la main opposée permettait à l'appareil de recueillir des signaux cardiaques.
Figure 1 : appareil de démonstration de Plessey Semiconductors pour son capteur EPIC. (Source : Electronic Products)
L'appareil de démonstration était basé sur la technologie de capteurs EPIC (electric potential integrated circuit) série PS25x01 de Plessey, développée conjointement avec l'université du Sussex, au Royaume Uni. Les capteurs sont les premiers à mesurer les changements dans un champ électrique tout comme un magnétomètre détecte les changements dans un champ magnétique, ne nécessitant aucun contact physique ou résistif pour prendre les mesures. Il fonctionne à température ambiante normale et comme un capteur à impédance d'entrée ultra élevée, grâce à des techniques actives pour réduire la capacitance d'entrée effective de l'élément de détection et augmenter sa résistance d'entrée. En effet, il s'agit d'un voltmètre presque parfait, hautement stable et capable de mesurer d'infimes changements dans un champ électrique de l'ordre du millivolt.
Un autre système de détection lié à la santé impliquant le potentiel électrique, à un niveau bien supérieur, a aussi été présenté en 2012 par ams. Capteur de foudre entièrement intégré et programmable, le IC AS3935 Franklin d'ams détecte l'approche des orages potentiellement dangereux, en estimant la distance par rapport au début de l'orage afin que les utilisateurs puissent se mettre à l'abri d'un quelconque danger (Figure 2).
Figure 2 : le capteur de foudre AS3935 Franklin d'ams. (Source : Electronic Products)
Le capteur est essentiellement un récepteur radio avec un algorithme de détection de foudre intégré qui vérifie le signal généré par un orage en approche, tout en rejetant les faux signaux dus aux perturbations d'origine humaine. À l'instar de l'appareil Plessey, ams l'a imaginé sous la forme d'une montre qui pourrait être portée par les golfeurs sur le fairway.
Lors du salon Sensors Expo en 2014, ROHM/Kionix a présenté un appareil portable en forme de clé. L'appareil de démonstration est conçu pour transmettre des données, grâce à la norme Bluetooth Low Energy, depuis plusieurs capteurs intégrés dans la clé vers des smartphones et tablettes. La conception intègre un capteur d'impédance magnétique (MI) à ultra haute sensibilité, un accéléromètre, un gyroscope, un capteur de pression barométrique, un capteur de lumière ambiante (ALS)/de proximité, et des capteurs RGB/UV dans un boîtier en forme de clé léger et compact (Figure 3).
Figure 3 : un appareil de démonstration portable en forme de clé. (Source : ROHM)
L'ensemble de capteurs permet de réaliser une variété de fonctions et d'opérations. Par exemple, il peut servir de moniteur d'activité, non seulement pour calculer les calories brûlées et compter les pas, mais aussi pour détecter quand la personne prend un moyen de transport (bus, train, voiture) ou monte/descend les escaliers, et suivre le temps de déplacement. Le fait de porter la clé à l'extérieur permettra à l'utilisateur de déterminer la quantité d'UV qu'elle reçoit, et de l'alerter en cas de risques de coup de soleil ou de mélanome.
Le bracelet de santé d'aujourd'hui
Pour en revenir à cette année, nous remarquons qu'un nombre considérable de montres connectées est disponible sur le marché. Prenons par exemple la Fitbit Surge et la Garmin Vivoactive récemment présentées.
La Fitbit Surge contient un GPS, des accéléromètres 3 axes, un gyroscope 3 axes, une boussole numérique, un moniteur de fréquence cardiaque optique, un altimètre, un capteur de lumière ambiante et un moteur vibrant. Le suivi GPS permet aux utilisateurs de voir la distance, le rythme, la hauteur grimpée et d'examiner les itinéraires et temps intermédiaires, tandis que le moniteur de fréquence cardiaque optique PurePulse fournit une fréquence cardiaque mesurée au poignet, automatique et continue ainsi que des zones de fréquence cardiaque simplifiées. Les utilisateurs peuvent suivre les pas, la distance, les calories brûlées, les étages montés ainsi que les minutes actives, et l'appareil peut aussi surveiller le sommeil et automatiquement définir une alarme silencieuse. Le dispositif portable peut communiquer avec des appareils iOS, Android, et Windows mobile, ainsi qu'avec une balance numérique séparée pour enregistrer les informations de poids.
Figure 4 : la Fitbit Surge. (Source : Fitbit)
La Garmin Vivoactive a été désignée comme « l'une des meilleures pour les véritables adeptes de fitness... » en raison de ses capacités de traitement et de présentation des données. Outre sa capacité à surveiller les activités de course, marche et cyclisme, son logiciel peut également évaluer les sessions de golf et de natation. Elle fonctionne sur des plateformes mobiles et de bureau, se synchronise rapidement et supporte Windows mobile. Le surveillance du rythme cardiaque est facultative, grâce au capteur ANT+ de Garmin, et exige que les utilisateurs fixe un appareil séparé sur leur poitrine ; le capteur ANT+ communique sans fil avec l'appareil au poignet.
Figure 5 : la Garmin Vivoactive. (Source : The Verge)
Nouvelle génération
Tandis que l'attention actuelle se focalise principalement sur les appareils qui s'attachent au poignet, une nouvelle génération de capteurs flexibles et imprimables est en cours de développement. Ces capteurs recueilleront directement et continuellement encore plus de types de données.
Par exemple, le Center for High Rate Nanomanufacturing de l'université Northeastern a développé un multi-biocapteur hautement sensible et simple contenant des semiconducteurs en nanotubes de carbone à simple paroi (SWCNT) imprimés sur un substrat flexible (Figure 6). Les SWCNT utilise la méthode d'immobilisation d'enzymes pour la détection en temps réel du D-glucose, du L-lactate et de l'urée dans la sueur. La capacité à imprimer ces matériaux permet de réduire les coûts de fabrication.
Figure 6 : un biocapteur flexible, basé sur des nanotubes de carbone à simple paroi, créé par des chercheurs du CHN de l'université Northeastern. (Source : Electronic Products)
Au Center for Wearable Sensors de San Diego, à l'université de Californie, une équipe de recherche a développé un « tatouage » sur la peau, un appareil électrochimique portable comprenant des capteurs électrolytes et métabolites, une pile à biocombustibles et des batteries (Figure 7). Les capteurs peuvent être fixés sur les bras des sujets pour surveiller les analytes, les composants chimiques recherchés dans une procédure analytique.
Figure 7 : un « tatouage » imprimé, flexible et étirable développé par des chercheurs du Center for Wearable Sensors de l'UCSD . (Source : Electronic Products)
Grâce aux avancées continues en matière de conception et d'intégration de capteurs, il sera un jour naturel pour les personnes d'avoir leur indicateurs vitaux constamment et confortablement surveillés lorsque cela est justifié. Il en résultera moins d'inquiétudes sur notre santé ainsi qu'une vie plus longue et agréable