Een systeem gemaakt met twee goedkope sensoren is nauwkeuriger dan smartwatches voor het bijhouden van verbrande calorieën tijdens activiteit, rapporteren onderzoekers
En de instructies om het systeem zelf te maken zijn gratis online beschikbaar.
Terwijl smartwatches en smartphones de neiging hebben om ongeveer 40 tot 80% uit te staan als het gaat om het tellen van verbrande calorieën tijdens een activiteit, geeft dit systeem een gemiddelde fout van 13%.
"We hebben een compact systeem gebouwd dat we hebben geëvalueerd met een diverse groep deelnemers om de Amerikaanse bevolking te vertegenwoordigen en hebben vastgesteld dat het het heel goed doet, met ongeveer een derde van de fouten van smartwatches", zegt Patrick Slade, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde aan Stanford Universiteit die hoofdauteur is van een paper over het werk in Nature Communications.
Een cruciaal onderdeel van dit onderzoek was het begrijpen van een fundamentele tekortkoming van andere wearables die calorieën tellen: ze zijn afhankelijk van polsbewegingen of hartslag, hoewel geen van beide een indicatie is voor energieverbruik. (Bedenk hoe een kopje koffie de hartslag kan verhogen.) De onderzoekers veronderstelden dat beenbewegingen veelzeggender zouden zijn - en hun experimenten bevestigden dat idee.
Dit nieuwe meetsysteem heeft twee sensoren op de dij en de schacht die worden aangedreven door een batterij en worden bestuurd door een microcontroller, die kan worden vervangen door een smartphone. (Tegoed: Andrew Brodhead)
Er zijn systemen van laboratoriumkwaliteit die nauwkeurig kunnen inschatten hoeveel energie een persoon brandwonden tijdens lichamelijke activiteit door de uitwisselingssnelheid van kooldioxide en zuurstof in de adem te meten. Dergelijke opstellingen worden gebruikt om de gezondheid en atletische prestaties te beoordelen, maar ze omvatten omvangrijke, oncomfortabele apparatuur en kunnen duur zijn.
Het nieuwe draagbare systeem vereist slechts twee kleine sensoren op het been, een batterij en een draagbare microcontroller (een kleine computer), en kost ongeveer $ 100 om te maken. De lijst van componenten en code voor het maken van het systeem zijn beide beschikbaar.
"Dit is een grote vooruitgang omdat het tot nu toe twee tot zes minuten en een gasmasker kost om nauwkeurig in te schatten hoeveel energie een persoon verbrandt", zegt co-auteur Scott Delp, professor aan de School of Engineering. “Met de nieuwe tool van Patrick kunnen we inschatten hoeveel energie er wordt verbrand bij elke stap als een Olympische atleet naar de finish racet om te meten wat zijn topprestaties voedt. We kunnen ook de energie berekenen die wordt besteed door een patiënt die herstellende is van een hartoperatie om hun inspanning beter te beheersen."
Benen, geen polsen
Hoe mensen calorieën verbranden is ingewikkeld, maar de onderzoekers hadden het idee dat sensoren op de benen een eenvoudige manier zouden zijn om inzicht te krijgen in dit proces.
"Een probleem met traditionele smartwatches is dat ze alleen informatie krijgen van de beweging van je pols en hartslag", zegt co-auteur Mykel Kochenderfer, universitair hoofddocent luchtvaart en ruimtevaart. "Het feit dat het apparaat van Patrick een lager foutenpercentage heeft, is logisch omdat het beweging van je benen detecteert en het grootste deel van je energie wordt verbruikt door je benen."
Het systeem is bewust eenvoudig. Het bestaat uit twee kleine sensoren - een op de dij en een op de schacht van een been - die worden aangestuurd door een microcontroller op de heup, die gemakkelijk kan worden vervangen door een smartphone. Deze sensoren worden "traagheidsmeeteenheden" genoemd en meten de versnelling en rotatie van het been terwijl het beweegt. Ze zijn met opzet lichtgewicht, draagbaar en goedkoop, zodat ze gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in verschillende vormen, waaronder kleding, zoals: betweter.
Om het systeem te testen tegen vergelijkbare technologieën, lieten de onderzoekers deelnemers aan het onderzoek het dragen terwijl ze ook twee smartwatches en een hartslagmeter droegen. Met al deze sensoren aangesloten, voerden de deelnemers een verscheidenheid aan activiteiten uit, waaronder verschillende snelheden van lopen, hardlopen, fietsen, traplopen en de overgang tussen lopen en rennen.
Toen alle wearables werden vergeleken met de calorieverbrandingsmetingen die werden vastgelegd door een systeem van laboratoriumkwaliteit, ontdekten de onderzoekers dat hun op benen gebaseerde systeem het meest nauwkeurig was.
Door het systeem verder te testen op meer dan een dozijn deelnemers van verschillende leeftijden en gewichten, verzamelden de onderzoekers een schat aan gegevens die Slade gebruikte om het machine learning-model dat de schattingen van het calorieverbruik berekent, verder te verfijnen.
Het model neemt de informatie over beenbewegingen van de sensoren op en berekent - met behulp van wat het heeft geleerd van eerdere gegevens - hoeveel energie de gebruiker op elk moment in de tijd verbrandt. En terwijl de huidige state-of-the-art systemen ongeveer zes minuten aan gegevens nodig hebben van een persoon die is aangesloten op een masker in een laboratoriumomgeving, kan dit alternatief met vrije uitloop functioneren met slechts enkele seconden activiteit.
"Veel van de stappen die je elke dag neemt, gebeuren in korte perioden van 20 seconden of minder", zegt Slade, die het doen van klusjes noemde als een voorbeeld van korte-burst-activiteit die vaak over het hoofd wordt gezien. "Het is een hele uitdaging om deze korte activiteiten of dynamische veranderingen tussen activiteiten vast te leggen en geen enkel ander systeem kan dat momenteel."
Open source calorieën tellen
Eenvoud en betaalbaarheid waren belangrijk voor dit team, evenals het openlijk beschikbaar maken van het ontwerp, omdat ze hopen dat deze technologie mensen kan helpen bij het begrijpen en verzorgen van hun gezondheid.
"We kopen alles open in de hoop dat mensen ermee aan de slag gaan en producten maken die het leven van het publiek kunnen verbeteren", zegt Kochenderfer.
Ze zijn ook van mening dat de eenvoud, betaalbaarheid en draagbaarheid van dit systeem een beter gezondheidsbeleid en nieuwe wegen voor onderzoek naar menselijke prestaties kunnen ondersteunen. De onderzoeksgroep onder leiding van Steve Collins, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en senior auteur van dit artikel, gebruikt al een soortgelijk systeem om de energie te bestuderen die wordt verbruikt door draagbare robotsystemen die de prestaties verbeteren.
"Een van de meest opwindende dingen is dat we dynamisch veranderende activiteiten kunnen volgen, en deze precieze informatie zal ons in staat stellen beter beleid te bieden om aan te bevelen hoe mensen moeten oefenen of hun gewicht moeten beheersen", zegt Slade.
"Het opent een hele reeks nieuwe onderzoeken die we kunnen doen naar menselijke prestaties", zegt Delp, die ook hoogleraar bio-engineering en werktuigbouwkunde is. “Hoeveel energie je verbrandt als je loopt, als je rent, als je jezelf inspant op een fiets - al die dingen zijn fundamenteel. Wanneer we een nieuwe tool als deze hebben, opent dat een nieuwe deur naar het ontdekken van nieuwe dingen over menselijke prestaties.”
De National Science Foundation, de National Institutes of Health en een Stanford Graduate Fellowship financierden het werk.
Bron: Stanford University
Over de auteur
