Un grupo de ingenieros de la Universidad Rutgers, en Estados Unidos, desarrolló una zapatilla inteligente capaz de analizar la manera de caminar de una persona mientras genera, a partir de sus propios movimientos, la energía necesaria para mantener en funcionamiento sus componentes electrónicos.
El desarrollo combina sensores, generación de energía e inteligencia artificial en un mismo calzado y busca superar una de las principales limitaciones de los dispositivos portátiles actuales: la necesidad de recargar periódicamente sus baterías.
La investigación, publicada en la revista científica Science Advances, mostró que el prototipo pudo diferenciar cuatro actividades —caminar lentamente, caminar rápido, correr y subir escaleras— con una precisión del 95,4%.
Los investigadores consideran que, con futuros desarrollos y estudios clínicos, este tipo de tecnología podría permitir realizar un seguimiento prolongado de la marcha de las personas durante sus actividades cotidianas.
La información obtenida podría ser útil para observar cambios vinculados con enfermedades como el Parkinson, lesiones cerebrales o de médula espinal, además de acompañar procesos de rehabilitación y contribuir al análisis del riesgo de caídas.
Una zapatilla que obtiene electricidad de cada pisada
Una de las particularidades del proyecto es que el calzado no depende de una batería recargable convencional para realizar las mediciones.
Los componentes electrónicos se encuentran instalados principalmente en la zona del talón, donde aprovechan la presión y el roce generados cada vez que el usuario apoya el pie.
El sistema utiliza el denominado efecto triboeléctrico, un fenómeno relacionado con la electricidad estática que se produce cuando determinados materiales entran en contacto, se rozan y posteriormente se separan.
De esta manera, parte de la energía biomecánica producida naturalmente al caminar o correr puede convertirse en electricidad.
Sin embargo, la electricidad obtenida de las pisadas aparece en forma de pulsos irregulares y no resulta adecuada para alimentar directamente los sensores y el procesador incorporados en la zapatilla.
Para resolver este inconveniente, los investigadores desarrollaron un circuito capaz de acondicionar esa energía y transformarla en una corriente que pueda ser utilizada por los componentes electrónicos.
Según la información difundida por la Universidad Rutgers, este mecanismo permitió obtener hasta 120 veces más energía útil que un sistema convencional.
Simiao Niu, profesor asistente del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Escuela de Ingeniería de Rutgers, explicó que cuando una persona camina o corre dispone naturalmente de energía biomecánica que puede ser aprovechada.
El concepto también presenta una ventaja particular: cuando la persona permanece sentada no se produce energía mediante las pisadas, pero tampoco es necesario controlar su marcha durante ese período.
La importancia de analizar la forma de caminar
En medicina, el análisis de la marcha no se limita simplemente a determinar si una persona camina o corre.
Los especialistas pueden estudiar variables como el equilibrio, la velocidad, la longitud de los pasos y el ritmo. Las modificaciones en estos parámetros pueden aportar información sobre determinados problemas de salud o sobre la evolución de un proceso de recuperación.
Actualmente, muchas evaluaciones de la marcha se realizan durante períodos relativamente breves dentro de clínicas o laboratorios.
Los dispositivos portátiles permiten extender el seguimiento a las actividades cotidianas, aunque habitualmente necesitan baterías que deben ser recargadas.
La propuesta desarrollada en Rutgers busca combinar ambas necesidades: realizar mediciones durante períodos más prolongados y, al mismo tiempo, reducir la dependencia de una fuente externa de electricidad.
Los investigadores destacan que la marcha puede constituir un indicador relevante para numerosas enfermedades. Sin embargo, el prototipo desarrollado hasta el momento no es una herramienta de diagnóstico médico.
Inteligencia artificial dentro de la propia zapatilla
El dispositivo incorpora un acelerómetro encargado de registrar los movimientos del pie en tres direcciones.
Posteriormente, un pequeño procesador analiza esos datos mediante un sistema de inteligencia artificial entrenado para reconocer determinados patrones.
El programa divide la información en segmentos de 15 segundos y determina a cuál de las cuatro actividades estudiadas corresponde cada período: caminar lentamente, caminar rápidamente, correr o subir escaleras.
Una característica importante es que el procesamiento de la información se realiza directamente dentro del calzado.
Esto evita tener que transmitir permanentemente los datos hacia un teléfono celular, una computadora o un servidor externo, una operación que aumentaría considerablemente el consumo energético.
El desafío de combinar inteligencia artificial y bajo consumo
Uno de los principales obstáculos que encontraron los investigadores fue adaptar el programa de inteligencia artificial a la limitada memoria y capacidad de procesamiento disponible dentro de una zapatilla.
La primera versión del sistema analizaba 21 características diferentes del movimiento y consiguió una precisión del 98,1%.
Sin embargo, ese modelo requería una capacidad superior a la disponible en el procesador instalado en el calzado.
Los científicos comenzaron entonces a simplificar el sistema y comprobaron que las variaciones del movimiento registradas en tres direcciones contenían buena parte de la información necesaria para reconocer las actividades.
El modelo optimizado mantuvo una precisión del 95,4%, pero consiguió importantes mejoras en materia de rendimiento.
De acuerdo con el estudio, el programa simplificado funciona aproximadamente 15 veces más rápido y utiliza alrededor de una sexta parte de la corriente eléctrica requerida por la versión original.
El consumo conjunto del sensor y del programa es de apenas 86 microvatios.
Durante las pruebas realizadas en laboratorio, incluso una caminata lenta produjo suficiente electricidad para mantener el sistema funcionando.
El objetivo de los investigadores es avanzar hacia dispositivos portátiles que combinen capacidad de procesamiento, inteligencia artificial y generación autónoma de energía, evitando que el usuario tenga que preocuparse constantemente por cargar una batería.
Las pruebas alcanzaron una precisión del 95,4%
Los resultados obtenidos hasta ahora son prometedores, aunque el estudio presenta importantes limitaciones.
Las pruebas se realizaron solamente con cuatro participantes sanos, todos ellos jóvenes de entre 23 y 26 años.
Además, el sistema fue entrenado específicamente para reconocer las cuatro actividades contempladas en la investigación.
Por el momento, la tecnología no fue evaluada en adultos mayores, personas con trastornos del movimiento ni pacientes que estén atravesando procesos de rehabilitación.
Esta situación significa que actualmente el dispositivo no puede utilizarse para diagnosticar enfermedades, predecir caídas ni determinar si determinado tratamiento médico está funcionando.
Para alcanzar alguna de esas aplicaciones será necesario continuar desarrollando la tecnología y realizar pruebas clínicas con poblaciones más amplias y diversas.
Un sistema que podría sumar nuevas funciones
El concepto desarrollado por los investigadores podría tener aplicaciones que vayan más allá del análisis de la marcha.
De acuerdo con la Universidad Rutgers, futuras versiones podrían adaptarse para realizar un seguimiento de la actividad cardíaca, detectar determinadas señales químicas del organismo o registrar otros parámetros relacionados con la salud.
Estas posibilidades forman parte de las aplicaciones futuras consideradas por los científicos y no fueron evaluadas en el prototipo actual.
Fuying Dong, estudiante de doctorado en Ingeniería Biomédica de Rutgers y primera autora de la investigación, destacó que uno de los principales aprendizajes del proyecto fue la necesidad de diseñar conjuntamente todos los componentes.
El desafío no consistió solamente en desarrollar un sensor, un generador de electricidad o un algoritmo de inteligencia artificial de manera independiente, sino en conseguir que todas esas tecnologías pudieran trabajar juntas dentro de un dispositivo pequeño y con una cantidad extremadamente limitada de energía.
La zapatilla inteligente representa así un nuevo ejemplo de cómo la inteligencia artificial, los sensores portátiles y los sistemas de generación de energía pueden combinarse para desarrollar dispositivos capaces de acompañar a las personas durante sus actividades habituales.
Aunque todavía se encuentra en una etapa experimental y deberá superar nuevas pruebas antes de considerar posibles aplicaciones médicas, el desarrollo abre una alternativa para crear dispositivos inteligentes que puedan funcionar durante períodos prolongados sin depender de la recarga convencional de baterías.
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