Scarpe intelligenti con IA: producono energia camminando e analizzano ogni passo
Una scarpa capace di produrre energia mentre camminiamo e analizzare ogni nostro passo grazie all’intelligenza artificiale. Non è un dispositivo fantascientifico, ma il risultato di una ricerca condotta dagli ingegneri della Rutgers University, che hanno sviluppato un prototipo di calzatura intelligente in grado di funzionare senza batterie da ricaricare.
Il progetto, pubblicato sulla rivista scientifica Science Advances, potrebbe aprire nuove possibilità nel monitoraggio dei disturbi del movimento, nella riabilitazione e nella valutazione del rischio di cadute. Nei primi esperimenti, condotti su quattro volontari sani, il sistema ha riconosciuto diverse attività fisiche con una precisione del 95,4%.
Come funzionano le scarpe intelligenti che producono elettricità
Il segreto delle nuove scarpe sviluppate dalla Rutgers University si trova nel tallone, dove gli ingegneri hanno integrato un sistema capace di trasformare l’energia meccanica generata dai passi in elettricità.
Il meccanismo sfrutta il cosiddetto effetto triboelettrico, un fenomeno legato all’elettricità statica che si verifica quando determinati materiali entrano in contatto e successivamente si separano.
Ogni volta che il piede tocca il terreno, la pressione esercitata sul tallone contribuisce alla produzione di energia elettrica. Questa viene poi utilizzata per alimentare i sensori e il piccolo processore integrati nella calzatura.
La corrente generata dai passi, tuttavia, non è regolare e non può alimentare direttamente i componenti elettronici. Per risolvere il problema, i ricercatori hanno progettato un circuito capace di convertirla in energia utilizzabile.
Secondo quanto comunicato dall’università, questa soluzione permette di ottenere fino a 120 volte più energia utile rispetto a un metodo convenzionale.
L’intelligenza artificiale riconosce come camminiamo
Oltre a produrre autonomamente l’energia necessaria al proprio funzionamento, la scarpa incorpora un accelerometro che registra i movimenti del piede lungo tre direzioni.
Le informazioni raccolte vengono elaborate da un piccolo processore dotato di intelligenza artificiale integrata, capace di riconoscere differenti schemi di movimento.
Durante gli esperimenti, il sistema è stato addestrato a distinguere quattro attività: camminata lenta, camminata veloce, corsa e salita delle scale.
L’algoritmo analizza i dati in intervalli di 15 secondi e identifica l’attività svolta, senza dover trasmettere continuamente le informazioni a uno smartphone o a un server remoto.
Questa elaborazione direttamente all’interno della scarpa, conosciuta come edge AI, permette di ridurre sensibilmente il consumo energetico e rende il dispositivo meno dipendente dalle connessioni esterne.
Un algoritmo 15 volte più veloce e consumi ridottissimi
Uno degli ostacoli principali affrontati dagli ingegneri è stato adattare l’intelligenza artificiale alle limitate risorse hardware disponibili all’interno della calzatura.
La prima versione dell’algoritmo analizzava 21 caratteristiche del movimento e raggiungeva una precisione del 98,1%. Tuttavia, richiedeva una quantità di memoria e di energia incompatibile con il dispositivo.
I ricercatori hanno quindi semplificato il modello, concentrandosi sulle informazioni più significative raccolte dall’accelerometro.
Il risultato è un sistema che mantiene una precisione del 95,4%, funziona circa 15 volte più velocemente e consuma soltanto un sesto della corrente richiesta dalla versione originale.
Il consumo complessivo dei sensori e del processore è di appena 86 micro watt. Durante i test di laboratorio, anche una camminata lenta è stata sufficiente a produrre l’elettricità necessaria per mantenere il sistema in funzione.
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Le scarpe AI potrebbero aiutare i pazienti con Parkinson
Le possibili applicazioni mediche rappresentano uno degli aspetti più interessanti della ricerca.
Attualmente, l’analisi dell’andatura viene spesso effettuata attraverso osservazioni relativamente brevi all’interno di ambulatori e laboratori specializzati. Queste valutazioni, però, non sempre permettono di comprendere come una persona si muova durante le normali attività quotidiane.
Le scarpe intelligenti potrebbero invece consentire un monitoraggio prolungato dell’andatura senza la necessità di ricaricare periodicamente il dispositivo.
In futuro, questa tecnologia potrebbe aiutare gli specialisti a individuare cambiamenti nei movimenti dei pazienti affetti da Parkinson, lesioni cerebrali o danni al midollo spinale.
Potrebbe inoltre fornire informazioni utili durante i percorsi di riabilitazione e contribuire allo studio dei fattori associati al rischio di cadute.
È importante precisare che il prototipo attuale non è uno strumento diagnostico e non è ancora stato sperimentato su persone affette da queste patologie.
I primi test sono stati effettuati soltanto su quattro persone
Nonostante i risultati incoraggianti, la tecnologia si trova ancora in una fase sperimentale.
La ricerca ha coinvolto appena quattro volontari sani, di età compresa tra 23 e 26 anni. L’intelligenza artificiale è stata addestrata e valutata esclusivamente sulle quattro attività previste dagli esperimenti.
Non sono quindi disponibili dati sufficienti per stabilire se il sistema possa riconoscere alterazioni dell’andatura associate a specifiche malattie o prevedere il rischio di cadute.
Prima di arrivare a un eventuale utilizzo clinico saranno necessari ulteriori sviluppi, sperimentazioni su un numero maggiore di persone e verifiche condotte su pazienti con disturbi del movimento.
In futuro potrebbero monitorare anche il cuore
Secondo Simiao Niu, professore di Ingegneria biomedica alla Rutgers University, uno dei principali limiti degli attuali dispositivi indossabili riguarda il rapporto tra consumi energetici e capacità di elaborazione.
Il nuovo prototipo cerca di superare questo problema combinando la raccolta autonoma di energia con l’elaborazione locale dei dati attraverso l’intelligenza artificiale.
La tecnologia potrebbe essere adattata, in futuro, anche al monitoraggio dell’attività cardiaca e di altri segnali fisiologici. Queste funzionalità, tuttavia, non sono ancora state integrate o sperimentate nel dispositivo attuale.
Per il momento, il risultato più significativo riguarda la possibilità di realizzare dispositivi indossabili intelligenti che utilizzano l’energia prodotta naturalmente dal corpo umano, riducendo la dipendenza dalle tradizionali batterie ricaricabili.
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