Los científicos han desarrollado un nuevo sistema con sensores económicos para medir las calorías quemadas durante el ejercicio.
Según el estudiante de posgrado Patrick Slade, el dispositivo tiene solo un tercio del error de los relojes inteligentes.
Un paso clave en el desarrollo de esta investigación fue comprender que otros dispositivos portátiles se basan en el movimiento de la muñeca y en la frecuencia cardíaca, que no necesariamente reflejan el gasto energético.
El dispositivo podría abrir nuevos métodos para conocer mejor el rendimiento humano.
Un sistema fabricado con dos sensores económicos es más preciso que los smartwatches para medir las calorías quemadas durante la actividad, según informan los investigadores.
Y las instrucciones para fabricar el sistema por cuenta propia están disponibles gratuitamente en línea.
Mientras que los smartwatches y los smartphones tienden a errar en torno al 40 al 80 % al contar las calorías quemadas durante una actividad, este sistema tiene un error promedio del 13 %.
“Construimos un sistema compacto que evaluamos con un grupo diverso de participantes para representar a la población de EE. UU., y comprobamos que funciona muy bien, con aproximadamente un tercio del error de los smartwatches”, afirma Patrick Slade, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica de la Universidad de Stanford y autor principal de un artículo sobre este trabajo publicado en Nature Communications.
Una pieza fundamental de esta investigación fue comprender una limitación básica de otros dispositivos portátiles que cuentan calorías: se basan en el movimiento de la muñeca o en la frecuencia cardíaca, aunque ninguno de los dos es especialmente indicativo del gasto energético. (Piense en cómo una taza de café puede aumentar la frecuencia cardíaca). Los investigadores plantearon la hipótesis de que el movimiento de las piernas sería más revelador, y sus experimentos confirmaron esa idea.
Existen sistemas de calidad de laboratorio que pueden estimar con precisión cuánta energía una persona quema durante la actividad física midiendo la tasa de intercambio de dióxido de carbono y oxígeno en la respiración. Estas configuraciones se utilizan para evaluar la salud y el rendimiento atlético, pero implican equipos voluminosos e incómodos y pueden ser costosas.
El nuevo sistema portátil solo requiere dos pequeños sensores en la pierna, una batería y un microcontrolador portátil (una pequeña computadora), y cuesta unos 100 dólares fabricarlo. La lista de componentes y código para fabricar el sistema están disponibles.
“Este es un gran avance porque, hasta ahora, se necesitan entre dos y seis minutos y una máscara de gas para estimar con precisión cuánta energía quema una persona”, afirma el coautor Scott Delp, profesor de la Escuela de Ingeniería. “Con la nueva herramienta de Patrick, podemos estimar cuánta energía se quema con cada paso cuando un atleta olímpico corre hacia la meta para medir lo que alimenta su máximo rendimiento. También podemos calcular la energía gastada por un paciente que se recupera de una cirugía cardíaca para gestionar mejor su ejercicio.”
Piernas, no muñecas
La forma en que se queman las calorías es complicada, pero los investigadores tenían la intuición de que los sensores en las piernas serían una forma sencilla de obtener información sobre este proceso.
“Un problema de los relojes inteligentes tradicionales es que solo obtienen información del movimiento de la muñeca y de la frecuencia cardíaca”, afirma el coautor Mykel Kochenderfer, profesor asociado de aeronáutica y astronáutica. “El hecho de que el dispositivo de Patrick tenga una tasa de error más baja tiene sentido, porque detecta el movimiento de las piernas y la mayor parte de la energía se gasta con ellas.”
El sistema es intencionadamente sencillo. Consta de dos pequeños sensores, uno en el muslo y otro en la espinilla de una pierna, controlados por un microcontrolador en la cadera, que podría sustituirse fácilmente por un smartphone. Estos sensores se denominan “unidades de medición inercial” y miden la aceleración y la rotación de la pierna mientras se mueve. Son deliberadamente ligeros, portátiles y de bajo costo para que puedan integrarse fácilmente en distintas formas, incluida la ropa, como pantalones inteligentes.
Para probar el sistema frente a tecnologías similares, los investigadores pidieron a los participantes del estudio que lo llevaran puesto y, además, dos smartwatches y un monitor de frecuencia cardíaca. Con todos estos sensores colocados, los participantes realizaron diversas actividades, como caminar a distintas velocidades, correr, andar en bicicleta, subir escaleras y alternar entre caminar y correr.
Cuando todos los dispositivos portátiles se compararon con las mediciones de quema de calorías obtenidas con un sistema de calidad de laboratorio, los investigadores descubrieron que su sistema basado en las piernas era el más preciso.
Al seguir probando el sistema con más de una docena de participantes de distintas edades y pesos, los investigadores reunieron una gran cantidad de datos que Slade utilizó para refinar aún más el modelo de aprendizaje automático que calcula las estimaciones de calorías quemadas.
El modelo recibe la información sobre el movimiento de las piernas procedente de los sensores y calcula, utilizando lo que ha aprendido de datos anteriores, cuánta energía está quemando el usuario en cada momento. Y mientras que los sistemas más avanzados actuales requieren unos seis minutos de datos de una persona conectada a una máscara en un entorno de laboratorio, esta alternativa de uso libre puede funcionar con solo unos segundos de actividad.
“Muchos de los pasos que da cada día ocurren en breves periodos de 20 segundos o menos”, afirma Slade, quien mencionó las tareas domésticas como ejemplo de actividad de corta duración que a menudo pasa desapercibida. “Ser capaz de registrar estas actividades breves o los cambios dinámicos entre actividades es realmente difícil, y ningún otro sistema puede hacerlo actualmente.”
Contador de calorías de código abierto
La sencillez y la asequibilidad fueron importantes para este equipo, al igual que hacer el diseño disponible de forma abierta, porque esperan que esta tecnología pueda ayudar a las personas a comprender y cuidar su salud.
“Estamos publicando todo como código abierto con la esperanza de que las personas lo aprovechen y lo desarrollen, y creen productos que puedan mejorar la vida del público”, afirma Kochenderfer.
También creen que la sencillez, la asequibilidad y la portabilidad de este sistema podrían respaldar mejores políticas de salud y nuevas vías de investigación sobre el rendimiento humano. El grupo de investigación dirigido por Steve Collins, profesor asociado de ingeniería mecánica y autor principal de este artículo, ya utiliza un sistema similar para estudiar la energía gastada con sistemas robóticos portátiles que mejoran el rendimiento.
“Una de las cosas más emocionantes es que podemos hacer un seguimiento de actividades cuya dinámica cambia, y esta información precisa nos permitirá proponer mejores políticas para recomendar cómo debe ejercitarse la gente o controlar su peso”, afirma Slade.
“Abre un conjunto completamente nuevo de estudios de investigación que podemos llevar a cabo sobre el rendimiento humano”, afirma Delp, quien también es profesor de bioingeniería e ingeniería mecánica. “Cuánta energía se quema cuando se camina, cuando se corre, cuando uno se esfuerza en bicicleta; todas estas cosas son fundamentales. Cuando tenemos una nueva herramienta como esta, se abre una nueva puerta para descubrir cosas nuevas sobre el rendimiento humano.”
La National Science Foundation, los National Institutes of Health y una beca de posgrado de Stanford financiaron el trabajo.
