Les défis de l'électronique corporelle

L'électronique corporelle est utilisée depuis des décennies dans les prothèses auditives, les stimulateurs cardiaques et d'autres dispositifs médicaux fréquents dans la société actuelle. En fait, la conception originale pour de nombreux appareils électroniques grand public tels que les téléphones portables, parfois utilisés comme lecteurs de musique portables, n'a pas été créée avec un seul objectif, mais a été adaptée selon les besoins des consommateurs pour des fonctionnalités et une connectivité instantanées. L'électronique corporelle a évolué des dispositifs de santé aux accessoires de mode, et s'étend des bracelets de surveillance d'activité aux montres et lunettes connectées et aux chaussures GPS. Et tous ces articles font l'objet d'une demande croissante.

Figure 1 : Composant électronique corporel connecté.

Bien que l'apparition de l'électronique corporelle soit essentiellement tributaire de la demande des consommateurs, les applications sont nombreuses, notamment :

Infoloisirs : pour les informations et les divertissements, y compris la musique, les photos, les vidéos, les directions et les e-mails.

Suivi d'activités : pour contrôler des activités et des fonctions telles que la marche, le sommeil, la fréquence cardiaque et la consommation alimentaire afin de fournir immédiatement à chaque consommateur un feedback vital à partir duquel il peut agir en modifiant son comportement.

Surveillance de santé : pour surveiller un état diagnostiqué et bientôt pour prendre en charge le diagnostic, bien que les exigences de réglementation et la protection de la vie privée imposent une période de développement et de test prolongée pour une telle technologie.

Industries et entreprises : accent sur les terminaux portés au poignet pour fournir des données en temps réel, notamment la surveillance des processus de fabrication et la mise à jour du stock en entrepôt. Les lunettes et les bracelets connectés devraient être rapidement adoptés pour les travailleurs à distance, « sans bureau » du segment industriel.

Systèmes du soldat : intègrent les réseaux personnels, les capteurs, les communications externes et la puissance nécessaire pour gérer ces systèmes. L'un des objectifs consiste à relier les soldats dans un plus grand champ de bataille avec des connecteurs et des sous-systèmes de connexion par câbles devant présenter des performances, une durabilité et une robustesse excellentes, tout en étant ultralégers pour les soldats à pied.

Définition de l'électronique corporelle

Un dispositif électronique corporel peut être défini comme un dispositif intelligent capable d'accepter une entrée, de traiter cette entrée et de fournir une sortie significative. Par exemple, l'une des fonctions d'un bracelet d'activité est de récupérer des données brutes d'un capteur, de les traiter et de générer un rapport sur le nombre de pas effectués sur une période donnée. Les capteurs sont dotés de suffisamment d'intelligence pour distinguer les pas des autres mouvements.

Les capteurs constituent un élément important de l'électronique corporelle et ils deviennent de plus en plus petits et sophistiqués. Bien qu'il existe de nombreux types de capteurs, le plus fréquent est une unité de mesure inertielle, généralement un accéléromètre. Un accéléromètre peut détecter un mouvement particulier, sa direction et son intensité ou sa vitesse. Voici un exemple simple d'accéléromètre : lorsqu'un mouvement rotatif est imprimé à un téléphone portable ou une tablette (l'entrée) et que le dispositif traite le mouvement et oriente l'écran en conséquence (la sortie).

Les autres types courants, y compris les capteurs de pression, de température, de position et d'humidité, prennent en charge des applications comme les boussoles, les GPS et les gyroscopes pour détecter les mouvements. Les capteurs utilisés dans les applications médicales peuvent servir à mesurer et à surveiller la circulation sanguine, le pouls, la tension artérielle, les niveaux d'oxygène dans le sang, le mouvement musculaire, la masse graisseuse et le poids. Les dispositifs corporels les plus performants utilisent des algorithmes pour transformer les données brutes détectées en informations pratiques et significatives pour l'utilisateur.

L'électronique corporelle doit être capable de communiquer avec le monde extérieur. Bien que la connectivité sans fil par ondes radio à courte portée ou d'autres protocoles sans fil soit populaire, la connectivité câblée via un port USB est généralement exigée.

De nombreux dispositifs corporels sont équipés d'un affichage vidéo ou d'un écran tactile pour l'interaction utilisateur. Un défi important pour des affichages aussi petits est la simplicité d'utilisation. Même un affichage haute résolution sur une montre connectée n'offre pas beaucoup d'espace. Pour préserver la convivialité, il faut trouver le bon équilibre entre ce que l'écran peut afficher et la lisibilité des informations recueillies. La gestion de la consommation d'énergie de ces affichages est un facteur de motivation majeur pour les principaux fabricants de dispositifs corporels. Ceux-ci font largement usage d'alternatives basse consommation comme l'encre ou le papier électronique à la place d'affichages LCD ou OLED pleine couleur. Comme pour tout appareil électronique, les dispositifs corporels doivent être alimentés par des batteries rechargeables ou d'autres méthodes de charge. Un port est habituellement requis pour permettre à une alimentation connectée de recharger les batteries. La transmission de puissance sans fil s'impose de plus en plus comme une caractéristique clé à intégrer dans les nouveaux dispositifs corporels, et elle nécessite une étanchéité à l'eau.

Une autre caractéristique courante de l'électronique corporelle est la capacité à exécuter un grand nombre d'applications pendant la mise à jour ou la modification d'une application. Une montre connectée, par exemple, est similaire à un téléphone portable. Il s'agit d'un ordinateur permettant au porteur d'effectuer plusieurs tâches tout en se connectant de manière indépendante à Internet pour des mises à jour ou des téléchargements d'applications critiques.

L'électronique corporelle est un sous-ensemble de l'Internet des objets (IoT). L'IoT est la migration d'Internet au-delà des personnes. L'utilisation d'un smartphone ou d'une montre pour déverrouiller un domicile, contrôler le thermostat et armer ou désarmer le système de sécurité à distance depuis n'importe quel endroit dans le monde constitue un exemple.

L'IoT peut également fonctionner sans aucune intervention humaine. Une montre connectée peut être préprogrammée pour baisser le chauffage pendant la nuit et le monter lorsqu'il fait froid le matin, ou pour vérifier les prévisions météo et régler les températures du domicile en fonction.

Le facteur clé de l'IoT est l'utilisation du protocole Internet (IP). Le protocole IP est un protocole de communications utilisé par Ethernet et Internet pour contrôler le flux d'informations. Chaque appareil connecté dispose d'une adresse IP. Chaque appareil avec une adresse IP peut communiquer avec tout autre appareil IP. Les pare-feu, les mots de passe et les autres mesures de sécurité permettent de contrôler quels appareils communiquent entre eux. L'électronique corporelle, du simple fait de l'adresse IP, rejoint l'IoT.

L'électronique corporelle n'a pas besoin d'exister en tant que dispositifs autonomes : c'est l'avantage de faire partie de l'IoT. Les données d'activité d'un bracelet de fitness peuvent être téléchargées vers une application sur un ordinateur. Cette application peut fournir une analyse détaillée des tendances au fil du temps pour suivre les progrès. Le lecteur de musique d'une montre peut récupérer des morceaux grâce au cloud computing (« le cloud »). Au final, où qu'ils soient, les utilisateurs peuvent interagir avec les objets (téléviseurs, domiciles, voitures, appareils électroménagers, dispositifs de survie) grâce à un petit appareil porté sur le corps ou à proximité, juste en entrant dans le monde de l'électronique corporelle et de l'IoT.

L'électronique corporelle est rendue possible par la miniaturisation et l'intégration des composants, ce qui permet d'incorporer de puissantes fonctionnalités dans un espace très compact. Les capteurs, les puces d'ordinateur, les caméras, les haut-parleurs et d'autres composants continuent à être miniaturisés tout en gagnant en matière de capacités.

L'intégration de ces composants dans le bon facteur de forme et avec le niveau approprié de fabricabilité constitue un défi. En tant que leader dans le domaine de la connectivité, TE Connectivity travaille en étroite collaboration avec des concepteurs et des fabricants de composants électroniques corporels. La Figure 2 montre des solutions de connecteurs typiques pour une montre connectée. La plupart de ces solutions, ainsi que d'autres composants, sont caractérisés par leur format extra-plat et leur petite empreinte. Le format extra-plat est particulièrement important pour permettre à l'appareil de présenter une conception mince.

Figure 2 : Solutions de connecteur pour montre connectée.

Comme l'espace est crucial, l'intégration des composants non seulement simplifie le système, mais utilise aussi l'espace disponible pour un rendement maximal. Les antennes peuvent être incorporées directement dans le boîtier, comme illustré à la Figure 3 pour un téléphone portable. De tels dispositifs d'interconnexion moulés (MID) et les technologies émergentes d'antennes imprimées permettent d'intégrer les rubans de circuit, les plans de masse et le blindage dans la partie moulée. Le substrat peut être un composite ou un plastique technique. Les composites sont de plus en plus intéressants grâce à leur capacité à augmenter la résistance du matériau, et ils peuvent être moulés et métallisés de manière rentable.

Figure 3 : Les antennes et les autres éléments de circuit peuvent être incorporés dans les substrats en plastique.

De nombreux systèmes corporels sont conçus pour être portés pendant les activités sportives et d'autres activités intenses. La robustesse, en tant que concept, est relative et ne peut être définie qu'au niveau de l'application. Les exigences de robustesse pour un moniteur cardiaque sont différentes de celles d'un moniteur d'activités porté par un cycliste. Les dispositifs corporels pour les militaires fonctionnent à un niveau tout à fait différent de robustesse et nécessitent une résistance à des plages plus étendues de température, une meilleure résistance aux chocs et aux vibrations, et une résistance aux produits chimiques et aux solvants susceptibles de détruire l'appareil d'un utilisateur.

En augmentant la résistance des composants électroniques corporels face aux dangers environnementaux, les dispositifs sont plus fiables et plus faciles à utiliser. Vous pouvez atteindre un certain niveau de résistance aux intempéries en utilisant un port USB étanche aux projections d'eau et un capot en caoutchouc, mais le dispositif n'est pas pour autant étanche. Les concepteurs visent à bloquer les ouvertures sur les dispositifs pour atteindre un indice d'étanchéité IP67/68 pour une conception étanche. Les indices d'étanchéité IP sont utilisés pour spécifier la protection environnementale des boîtiers pour les équipements électroniques. L'étanchéité à l'eau permet non seulement d'offrir une conception plus robuste, mais elle facilite aussi l'utilisation. Certaines approches, telles que la transmission de puissance sans fil, émergent sur le marché.

Câble magnétiquement connecté : les connecteurs USB et similaires utilisent un ajustement par friction pour garantir le raccordement des connecteurs. Une autre approche, illustrée à la Figure 4, consiste à utiliser des aimants pour maintenir le connecteur en place avec des contacts à ressort côté câble. Les contacts côté dispositif et les aimants peuvent être étanches pour empêcher les liquides et l'humidité de pénétrer dans l'appareil. Contrairement au raccordement des connecteurs micro-USB, les aimants permettent de positionner correctement le câble.

Figure 4 : Câble magnétiquement connecté.

Connexions de données sans contact : utilisation de connexions magnétiques et d'émetteurs-récepteurs dans le dispositif et l'assemblage de câbles pour créer une connexion sans fil. Cette approche peut prendre en charge des protocoles E/S haute vitesse comme USB 2.0 ou USB 3.0. La courte distance entre les émetteurs-récepteurs fournit une connexion écoénergétique.

Recharge sans fil : les batteries peuvent être chargées sans connexion électrique directe. La recharge sans fil, ou recharge inductive, utilise des bobines d'induction dans l'unité de charge et l'électronique pour charger l'appareil. Le champ électromagnétique créé par la bobine de charge permet le transfert de l'énergie vers la bobine de réception, agissant comme un transformateur. Les avantages de la recharge sans fil sont les suivants :

• Durabilité accrue : aucune usure des connecteurs
• Fiabilité accrue : aucun port de connecteur pouvant permettre la pénétration de contaminants
• Utilisation simplifiée : aucun petit connecteur à brancher
• Liberté de conception : les concepteurs industriels sont libres de créer de nouvelles formes inhabituelles pour les appareils
• Durée de vie étendue : l'intégration d'émetteurs de puissance dans des objets courants signifie que les appareils chargent continuellement

Les inconvénients de la charge sans fil incluent un rendement réduit, une génération thermique supérieure et une charge plus lente. Ces problèmes sont tous liés et seront améliorés avec les nouvelles structures de bobines et des fréquences de couplage plus élevées. La plupart des dispositifs corporels présentent une consommation extrêmement basse, ce qui signifie que l'impact de ces inconvénients peut être minimal.

Une autre tendance des dispositifs corporels consiste à intégrer des capteurs et des composants électroniques dans les textiles, des vêtements spécialisés destinés aux athlètes aux vêtements de tous les jours. Le défi est de créer des vêtements électroniques pouvant être traités comme tout autre vêtement, en étant confortables, flexibles et lavables. Les interconnexions et l'électronique doivent être discrètes et robustes. Cela nécessite les éléments suivants :

• Terminaisons fiables, isolées, robustes et étanches
• Solutions d'émetteur-récepteur et d'antenne flexibles basées sur le vêtement
• Fil isolé conducteur étirable
• Petites batteries séchables
• Circuits imprimés/FPC résistant au froissement

Le défi du marché de l'électronique corporelle consiste à créer des dispositifs pouvant offrir des données utiles pour améliorer nos vies. Qu'ils soient portés au poignet, sur la tête ou au pied, les dispositifs corporels doivent être tendance, robustes et facilement rechargeables.