Sensing Systems for Respiration Monitoring: A Technical Systematic Review

Respiratory monitoring is essential in sleep studies, sport training, patient monitoring, or health at work, among other applications. This paper presents a comprehensive systematic review of respiration sensing systems. After several systematic searches in scientific repositories, the 198 most relevant papers in this field were analyzed in detail. Different items were examined: sensing technique and sensor, respiration parameter, sensor location and size, general system setup, communication protocol, processing station, energy autonomy and power consumption, sensor validation, processing algorithm, performance evaluation, and analysis software. As a result, several trends and the remaining research challenges of respiration sensors were identified. Long-term evaluations and usability tests should be performed. Researchers designed custom experiments to validate the sensing systems, making it difficult to compare results. Therefore, another challenge is to have a common validation framework to fairly compare sensor performance. The implementation of energy-saving strategies, the incorporation of energy harvesting techniques, the calculation of volume parameters of breathing, or the effective integration of respiration sensors into clothing are other remaining research efforts. Addressing these and other challenges outlined in the paper is a required step to obtain a feasible, robust, affordable, and unobtrusive respiration sensing system

Piezoresistive Breathing Sensing System with 3D Printed Wearable Casing

Respiratory rate is an important parameter for many health, home care, work, or sport applications. In this paper, a new wearable sensing system based on a piezoresistive FlexiForce sensor has been developed. The sensor can be attached to any common chest strap. A compact 3D casing has been designed and printed with a 3D printer. This casing integrates the sensor and all auxiliary elements of the system: microcontroller, battery, Bluetooth module, connections, battery charger, and acquisition circuit. To the best of our knowledge, this is the first study presenting a FlexiForce respiration sensor that includes all system elements in a single compact casing. The source files with the design of the casing have been published as supplementary material to be reused by any interested researcher. The sensing system was tested with twenty-one subjects for different breathing rates. Two different algorithms were developed to obtain the respiratory rate from the voltage signals recorded by the sensor. Statistical tests were performed to determine the optimal computation time window and algorithm. This approach is also novel in this field. Low error values were obtained for a time window of 27¿s with an algorithm based on the calculation of time between zero-crossings (4.02%) and with an algorithm based on counting them (3.40%). To promote research transparency and reusability, the dataset with the recorded data and the source code of the algorithms and statistical tests have also been published. Therefore, an open, replicable, low-error, wearable, wireless, and compact sensing system to measure respiratory rate was developed and tested

Wearable Sensors and Smart Devices to Monitor Rehabilitation Parameters and Sports Performance: An Overview

A quantitative evaluation of kinetic parameters, the joint’s range of motion, heart rate, and breathing rate, can be employed in sports performance tracking and rehabilitation monitoring following injuries or surgical operations. However, many of the current detection systems are expensive and designed for clinical use, requiring the presence of a physician and medical staff to assist users in the device’s positioning and measurements. The goal of wearable sensors is to overcome the limitations of current devices, enabling the acquisition of a user’s vital signs directly from the body in an accurate and non–invasive way. In sports activities, wearable sensors allow athletes to monitor performance and body movements objectively, going beyond the coach’s subjective evaluation limits. The main goal of this review paper is to provide a comprehensive overview of wearable technologies and sensing systems to detect and monitor the physiological parameters of patients during post–operative rehabilitation and athletes’ training, and to present evidence that supports the efficacy of this technology for healthcare applications. First, a classification of the human physiological parameters acquired from the human body by sensors attached to sensitive skin locations or worn as a part of garments is introduced, carrying important feedback on the user’s health status. Then, a detailed description of the electromechanical transduction mechanisms allows a comparison of the technologies used in wearable applications to monitor sports and rehabilitation activities. This paves the way for an analysis of wearable technologies, providing a comprehensive comparison of the current state of the art of available sensors and systems. Comparative and statistical analyses are provided to point out useful insights for defining the best technologies and solutions for monitoring body movements. Lastly, the presented review is compared with similar ones reported in the literature to highlight its strengths and novelties

Smart sensing systems for in-home health status and emotional well-being monitoring during COVID-19

The COVID-19 pandemic has restricted the mobility of the population. The experts propose several solutions in order to decrease the number of patients infected with this new virus by treating and monitoring them within the comfort of their own home. A new direction for the research has been identified including healthcare smart sensing systems which can provide medical diagnoses, surveillance, and treatment partially or totally remotely. The field of wearable, smart sensing solutions is becoming nowadays a widely accepted solution characterized also by the increased level of acceptance with regard to home health status monitoring. Pervasive computing and wearable solutions are frequently a topic included in current projects and are expected in new future developments, particularly in the pandemic context which forces people to remain mostly at home. As part of wearable devices the design of textiles, computer science, and smart materials are the three major development directions. The latest developments associated with the monitoring of health status and emotional well-being are presented and discussed in this chapter.info:eu-repo/semantics/submittedVersio

Tactile and Touchless Sensors Printed on Flexible Textile Substrates for Gesture Recognition

Tesis por compendio[EN] The main objective of this thesis is the development of new sensors and actuators using Printed Electronics technology. For this, conductive, semiconductor and dielectric polymeric materials are used on flexible and/or elastic substrates. By means of suitable designs and application processes, it is possible to manufacture sensors capable of interacting with the environment. In this way, specific sensing functionalities can be incorporated into the substrates, such as textile fabrics. Additionally, it is necessary to include electronic systems capable of processing the data obtained, as well as its registration. In the development of these sensors and actuators, the physical properties of the different materials are precisely combined. For this, multilayer structures are designed where the properties of some materials interact with those of others. The result is a sensor capable of capturing physical variations of the environment, and convert them into signals that can be processed, and finally transformed into data. On the one hand, a tactile sensor printed on textile substrate for 2D gesture recognition was developed. This sensor consists of a matrix composed of small capacitive sensors based on a capacitor type structure. These sensors were designed in such a way that, if a finger or other object with capacitive properties, gets close enough, its behaviour varies, and it can be measured. The small sensors are arranged in this matrix as in a grid. Each sensor has a position that is determined by a row and a column. The capacity of each small sensor is periodically measured in order to assess whether significant variations have been produced. For this, it is necessary to convert the sensor capacity into a value that is subsequently digitally processed. On the other hand, to improve the effectiveness in the use of the developed 2D touch sensors, the way of incorporating an actuator system was studied. Thereby, the user receives feedback that the order or action was recognized. To achieve this, the capacitive sensor grid was complemented with an electroluminescent screen printed as well. The final prototype offers a solution that combines a 2D tactile sensor with an electroluminescent actuator on a printed textile substrate. Next, the development of a 3D gesture sensor was carried out using a combination of sensors also printed on textile substrate. In this type of 3D sensor, a signal is sent generating an electric field on the sensors. This is done using a transmission electrode located very close to them. The generated field is received by the reception sensors and converted to electrical signals. For this, the sensors are based on electrodes that act as receivers. If a person places their hands within the emission area, a disturbance of the electric field lines is created. This is due to the deviation of the lines to ground using the intrinsic conductivity of the human body. This disturbance affects the signals received by the electrodes. Variations captured by all electrodes are processed together and can determine the position and movement of the hand on the sensor surface. Finally, the development of an improved 3D gesture sensor was carried out. As in the previous development, the sensor allows contactless gesture detection, but increasing the detection range. In addition to printed electronic technology, two other textile manufacturing technologies were evaluated.[ES] La presente tesis doctoral tiene como objetivo fundamental el desarrollo de nuevos sensores y actuadores empleando la tecnología electrónica impresa, también conocida como Printed Electronics. Para ello, se emplean materiales poliméricos conductores, semiconductores y dieléctricos sobre sustratos flexibles y/o elásticos. Por medio de diseños y procesos de aplicación adecuados, es posible fabricar sensores capaces de interactuar con el entorno. De este modo, se pueden incorporar a los sustratos, como puedan ser tejidos textiles, funcionalidades específicas de medición del entorno y de respuesta ante cambios de este. Adicionalmente, es necesario incluir sistemas electrónicos, capaces de realizar el procesado de los datos obtenidos, así como de su registro. En el desarrollo de estos sensores y actuadores se combinan las propiedades físicas de los diferentes materiales de forma precisa. Para ello, se diseñan estructuras multicapa donde las propiedades de unos materiales interaccionan con las de los demás. El resultado es un sensor capaz de captar variaciones físicas del entorno, y convertirlas en señales que pueden ser procesadas y transformadas finalmente en datos. Por una parte, se ha desarrollado un sensor táctil impreso sobre sustrato textil para reconocimiento de gestos en 2D. Este sensor se compone de una matriz formada por pequeños sensores capacitivos basados en estructura de tipo condensador. Estos se han diseñado de forma que, si un dedo u otro objeto con propiedades capacitivas se aproxima suficientemente, su comportamiento varía, pudiendo ser medido. Los pequeños sensores están ordenados en dicha matriz como en una cuadrícula. Cada sensor tiene una posición que viene determinada por una fila y por una columna. Periódicamente se mide la capacidad de cada pequeño sensor con el fin de evaluar si ha sufrido variaciones significativas. Para ello es necesario convertir la capacidad del sensor en un valor que posteriormente es procesado digitalmente. Por otro lado, con el fin de mejorar la efectividad en el uso de los sensores táctiles 2D desarrollados, se ha estudiado el modo de incorporar un sistema actuador. De esta forma, el usuario recibe una retroalimentación indicando que la orden o acción ha sido reconocida. Para ello, se ha complementado la matriz de sensores capacitivos con una pantalla electroluminiscente también impresa. El resultado final ofrece una solución que combina un sensor táctil 2D con un actuador electroluminiscente realizado mediante impresión electrónica sobre sustrato textil. Posteriormente, se ha llevado a cabo el desarrollo de un sensor de gestos 3D empleando una combinación de sensores impresos también sobre sustrato textil. En este tipo de sensor 3D, se envía una señal que genera un campo eléctrico sobre los sensores impresos. Esto se lleva a cabo mediante un electrodo de transmisión situado muy cerca de ellos. El campo generado es recibido por los sensores y convertido a señales eléctricas. Para ello, los sensores se basan en electrodos que actúan de receptores. Si una persona coloca su mano dentro del área de emisión, se crea una perturbación de las líneas de los campos eléctricos. Esto es debido a la desviación de las líneas de campo a tierra utilizando la conductividad intrínseca del cuerpo humano. Esta perturbación cambia/afecta a las señales recibidas por los electrodos. Las variaciones captadas por todos los electrodos son procesadas de forma conjunta pudiendo determinar la posición y el movimiento de la mano sobre la superficie del sensor. Finalmente, se ha llevado a cabo el desarrollo de un sensor de gestos 3D mejorado. Al igual que el desarrollo anterior, permite la detección de gestos sin necesidad de contacto, pero incrementando la distancia de alcance. Además de la tecnología de impresión electrónica, se ha evaluado el empleo de otras dos tecnologías de fabricación textil.[CA] La present tesi doctoral té com a objectiu fonamental el desenvolupament de nous sensors i actuadors fent servir la tecnologia de electrònica impresa, també coneguda com Printed Electronics. Es va fer us de materials polimèrics conductors, semiconductors i dielèctrics sobre substrats flexibles i/o elàstics. Per mitjà de dissenys i processos d'aplicació adequats, és possible fabricar sensors capaços d'interactuar amb l'entorn. D'aquesta manera, es poden incorporar als substrats, com ara teixits tèxtils, funcionalitats específiques de mesurament de l'entorn i de resposta davant canvis d'aquest. Addicionalment, és necessari incloure sistemes electrònics, capaços de realitzar el processament de les dades obtingudes, així com del seu registre. En el desenvolupament d'aquests sensors i actuadors es combinen les propietats físiques dels diferents materials de forma precisa. Cal dissenyar estructures multicapa on les propietats d'uns materials interaccionen amb les de la resta. manera El resultat es un sensor capaç de captar variacions físiques de l'entorn, i convertirles en senyals que poden ser processades i convertides en dades. D'una banda, s'ha desenvolupat un sensor tàctil imprès sobre substrat tèxtil per a reconeixement de gestos en 2D. Aquest sensor es compon d'una matriu formada amb petits sensors capacitius basats en una estructura de tipus condensador. Aquests s'han dissenyat de manera que, si un dit o un altre objecte amb propietats capacitives s'aproxima prou, el seu comportament varia, podent ser mesurat. Els petits sensors estan ordenats en aquesta matriu com en una quadrícula. Cada sensor té una posició que ve determinada per una fila i per una columna. Periòdicament es mesura la capacitat de cada petit sensor per tal d'avaluar si ha sofert variacions significatives. Per a això cal convertir la capacitat del sensor a un valor que posteriorment és processat digitalment. D'altra banda, per tal de millorar l'efectivitat en l'ús dels sensors tàctils 2D desenvolupats, s'ha estudiat la manera d'incorporar un sistema actuador. D'aquesta forma, l'usuari rep una retroalimentació indicant que l'ordre o acció ha estat reconeguda. Per a això, s'ha complementat la matriu de sensors capacitius amb una pantalla electroluminescent també impresa. El resultat final ofereix una solució que combina un sensor tàctil 2D amb un actuador electroluminescent realitzat mitjançant impressió electrònica sobre substrat tèxtil. Posteriorment, s'ha dut a terme el desenvolupament d'un sensor de gestos 3D emprant una combinació d'un mínim de sensors impresos també sobre substrat tèxtil. En aquest tipus de sensor 3D, s'envia un senyal que genera un camp elèctric sobre els sensors impresos. Això es porta a terme mitjançant un elèctrode de transmissió situat molt a proper a ells. El camp generat és rebut pels sensors i convertit a senyals elèctrics. Per això, els sensors es basen en elèctrodes que actuen de receptors. Si una persona col·loca la seva mà dins de l'àrea d'emissió, es crea una pertorbació de les línies dels camps elèctrics. Això és a causa de la desviació de les línies de camp a terra utilitzant la conductivitat intrínseca de el cos humà. Aquesta pertorbació afecta als senyals rebudes pels elèctrodes. Les variacions captades per tots els elèctrodes són processades de manera conjunta per determinar la posició i el moviment de la mà sobre la superfície del sensor. Finalment, s'ha dut a terme el desenvolupament d'un sensor de gestos 3D millorat. A l'igual que el desenvolupament anterior, permet la detecció de gestos sense necessitat de contacte, però incrementant la distància d'abast. A més a més de la tecnologia d'impressió electrònica, s'ha avaluat emprar altres dues tecnologies de fabricació tèxtil.Ferri Pascual, J. (2020). Tactile and Touchless Sensors Printed on Flexible Textile Substrates for Gesture Recognition [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153075TESISCompendi

Textile UHF-RFID antenna sensors based on material features, interfaces and application scenarios

Tesi en modalitat de compendi de publicacions, amb una secció retallada per drets de l'editor. In reference to IEEE copyrighted material which is used with permission in this thesis, the IEEE does not endorse any of Universitat Politècnica de Catalunya's products or services. Internal or personal use of this material is permitted. If interested in reprinting/republishing IEEE copyrighted material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution, please go to http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/rights_link.html to learn how to obtain a License from RightsLink.Radio frequency identification over measurable ultra-high frequency textile substrates (UHF-RFID) is a promising technology to develop new applications in the field of health and the Internet of Things (IOT), due to the massive use of fabrics and the technological maturity of embroidery techniques. This thesis is the result of a compendium of publications on this topic. First, as a result of the analysis of the state of art, a systematic review entitled 'Wearable textile UHF-RFID sensors: A systematic review' has been published. The thesis aims to improve research on UHF-RFID textile-based sensor technology. Thanks to the analysis of the state of art, three novel research objectives have been set that are worth exploring. The first is to study novel detection functions for textile UHF-RFID based sensor technology; the second is to find a connection/interface solution between textile antennas and integrated circuit (IC) chips and the third is to reduce the costs of such technology to promote future commercial applications. To contextualize the thesis, it includes the necessary theoretical fundamentals and the manufacturing and characterization methods used during it. As a result of the work derived from the first objective, a scientific article entitled “Textile UHF-RFID Antenna Sensor for Measurements of Sucrose Solutions in Different Levels of Concentration” has been published. In this work, a textile UHF-RFID tag with two detection positions is proposed for sucrose solution measurements. The two detection positions with the different detection functions show good performance and can offer two options for future full applications. In addition, another scientific article entitled “ Textile UHF-RFID Antenna Embroidered on Surgical Masks for Future Textile Sensing Applications” has been published to support the first objective. The inspiration for this work came from the current pandemic situation. This work develops three progressive designs of textile UHF-RFID antennas over surgical masks due to the current global epidemic situation. Reliability testing demonstrated that the proposed designs can be used for human healthcare focused applications. As a result of the second objective, a research article entitled 'Experimental Comparison of Three Electro-textile Interfaces for Textile UHF-RFID Tags on Clothes' has been published. This work proposes three electro-textile interfaces integrated with the corresponding textile UHF-RFID antennas and provides the chip-textile connection solutions (through sewing, push buttons and insertion). As a result of this objective, an electro-textile interconnect system has been proposed together with its electrical model, which allows the correct adaptation of impedances between the RFID antennas and the integrated circuit. It is worth noting that the mixed-use feasibility of the proposed electro-textile interfaces and the designed textile UHF-RFID antennas has been verified, reducing the cost in the design procedure in applications where the read range requirements of the order of 1 meter. The third objective has been achieved and exposed by a scientific article entitled 'Electro-textile UHF-RFID Compression Sensor for Health-caring Applications'. It proposes a single UHF-RFID based compression textile sensor that can be used simultaneously in two different healthcare application scenarios, which directly impacts on cost reduction.La identificación por radiofrecuencia sobre substratos textiles de ultra alta frecuencia (UHF-RFID) con capacidad de medida es una tecnología prometedora para desarrollar nuevas aplicaciones en el campo de la salud y el Internet de las cosas (IOT), debido a la masiva utilización de los tejidos y a la madurez tecnológica de las técnicas de bordado. Esta tesis es el resultado de un compendio de publicaciones sobre dicha temática. En primer lugar, como resultado del análisis del estado del arte se ha publicado una revisión sistemática titulada 'Wearable textile UHF-RFID sensors: A systematic review'. La tesis tiene como objetivo mejorar la investigación sobre la tecnología de sensores basada en textiles UHF-RFID. Gracias al análisis del estado del arte se han fijado tres objetivos de investigación novedosos que vale la pena explorar. El primero es estudiar funciones de detección novedosas para la tecnología de sensores basada en UHF-RFID textiles; el segundo es encontrar una solución de conexión/interfaz entre antenas textiles y chips de circuito integrado (IC) y el tercero es la reducción de costes de dicha tecnología para promover futuras aplicaciones comerciales. Para contextualizar la tesis, ésta incluye los fundamentos teóricos necesarios y los métodos de fabricación y caracterización utilizados durante la misma. Como resultado del trabajo derivado del primer objetivo, se ha publicado un artículo científico titulado “Textile UHF-RFID Antenna Sensor for Measurements of Sucrose Solutions in Different Levels of Concentration”. En este trabajo, se propone una etiqueta UHF-RFID textil con dos posiciones de detección para mediciones de solución de sacarosa. Las dos posiciones de detección con las diferentes funciones de detección muestran un buen rendimiento y pueden ofrecer dos opciones para futuras aplicaciones completas. Además, se ha publicado otro artículo científico titulado "Textile UHF-RFID Antenna Embroidered on Surgical Masks for Future Textile Sensing Applications" para respaldar el primer objetivo. La inspiración para este trabajo vino de la actual situación de pandemia. En este trabajo se desarrollan tres diseños progresivos de antenas UHF-RFID textiles sobre mascarillas quirúrgicas debido a la situación epidémica mundial actual. Las pruebas de fiabilidad demostraron que los diseños propuestos se pueden usar para aplicaciones centradas en el cuidado de las personas. Como resultado del segundo objetivo, se ha publicado un artículo de investigación titulado 'Experimental Comparison of Three Electro-textile Interfaces for Textile UHF-RFID Tags on Clothes'. En este trabajo se proponen tres interfaces electro-textiles integradas con las correspondientes antenas UHF-RFID textiles y se aportan las soluciones de conexión chip-textil (mediante costura, botones a presión e inserción). Como resultado de este objetivo, se ha propuesto un sistema de interconexión electro-textil junto con su modelo eléctrico, lo que permite la correcta adaptación de impedancias entre las antenas RFID y el circuito integrado. Vale la pena señalar que se ha verificado la viabilidad de uso mixto de las interfaces electro-textiles propuestas y las antenas UHF-RFID textiles diseñadas, lo que reduce el coste en el procedimiento de diseño en aplicaciones donde los requerimientos de rango de lectura del orden de 1 metro. El tercer objetivo se ha alcanzado y expuesto mediante un artículo científico titulado 'Electro-textile UHF-RFID Compression Sensor for Health-caring Applications'. En él, se propone un único sensor textil de compresión basado en UHF-RFID que puede ser utilizado a la vez en dosPostprint (published version

Extending the Design Space of E-textile Assistive Smart Environment Applications

The thriving field of Smart Environments has allowed computing devices to gain new capabilities and develop new interfaces, thus becoming more and more part of our lives. In many of these areas it is unthinkable to renounce to the assisting functionality such as e.g. comfort and safety functions during driving, safety functionality while working in an industrial plant, or self-optimization of daily activities with a Smartwatch. Adults spend a lot of time on flexible surfaces such as in the office chair, in bed or in the car seat. These are crucial parts of our environments. Even though environments have become smarter with integrated computing gaining new capabilities and new interfaces, mostly rigid surfaces and objects have become smarter. In this thesis, I build on the advantages flexible and bendable surfaces have to offer and look into the creation process of assistive Smart Environment applications leveraging these surfaces. I have done this with three main contributions. First, since most Smart Environment applications are built-in into rigid surfaces, I extend the body of knowledge by designing new assistive applications integrated in flexible surfaces such as comfortable chairs, beds, or any type of soft, flexible objects. These developed applications offer assistance e.g. through preventive functionality such as decubitus ulcer prevention while lying in bed, back pain prevention while sitting on a chair or emotion detection while detecting movements on a couch. Second, I propose a new framework for the design process of flexible surface prototypes and its challenges of creating hardware prototypes in multiple iterations, using resources such as work time and material costs. I address this research challenge by creating a simulation framework which can be used to design applications with changing surface shape. In a first step I validate the simulation framework by building a real prototype and a simulated prototype and compare the results in terms of sensor amount and sensor placement. Furthermore, I use this developed simulation framework to analyse the influence it has on an application design if the developer is experienced or not. Finally, since sensor capabilities play a major role during the design process, and humans come often in contact with surfaces made of fabric, I combine the integration advantages of fabric and those of capacitive proximity sensing electrodes. By conducting a multitude of capacitive proximity sensing measurements, I determine the performance of electrodes made by varying properties such as material, shape, size, pattern density, stitching type, or supporting fabric. I discuss the results from this performance evaluation and condense them into e-textile capacitive sensing electrode guidelines, applied exemplary on the use case of creating a bed sheet for breathing rate detection

Contribución al diseño de sensores vestibles y ambientales para medir la respiración y el salto vertical en adultos mayores y frágiles.

Con el avance de la tecnología, se ha popularizado entre la población el uso de dispositivos para medir su estado de salud. Para lograr esto, se suelen utilizar dispositivos vestibles como los smartwatch y smartbands, dispositivos ambientales embebidos en los alrededores, e incluso dispositivos conectados a aplicaciones móviles. El uso de estas tecnologías también se ha popularizado entre los profesionales de la salud.Esta tesis se centra en el desarrollo de dispositivos para monitorizar la salud de adultos mayores y adultos frágiles. Se desarrollaron dos líneas de trabajo: en la primera se diseñó e implementó un sistema vestible para monitorizar en tiempo real la respiración de los usuarios; en la segunda se desarrolló un sistema ambiental capaz de medir la altura del salto vertical efectuado por los usuarios sobre él.Sistema vestible para monitorizar la respiración:- Dentro de esta línea de trabajo se investigó un nuevo sensor de respiración que venía a cubrir algunas lagunas existentes en el estado de la técnica: la integración de todos los elementos electrónicos del sistema en un encapsulado compacto, la liberación del diseño para su reutilización y mejora por parte de otros investigadores y el bajo coste de los elementos que componen el sistema, entre otros. El sistema vestible consiste en un dispositivo que se coloca alrededor del pecho mediante una cinta ajustable. Este sistema funciona mediante un sensor piezoresistivo que detecta las variaciones en el diámetro del pecho ocasionadas al inhalar y exhalar; las variaciones detectadas son enviadas de forma inalámbrica mediante Bluetooth a una estación de visualización elegida por el usuario (PC, Tablet o Smartphone). El sistema se encuentra embebido en un armazón impreso en 3D. Para validar el funcionamiento de este sistema, se realizaron pruebas con 21 voluntarios que efectuaron diferentes ritmos de respiración. Para obtener los ritmos respiratorios de cada señal generada, se utilizaron dos algoritmos. Estos algoritmos calculan el ritmo respiratorio al segmentar la señal original en ventanas de tiempo desde 6 hasta 30 segundos. Los resultados obtenidos muestran que, con una ventana de tiempo de 27 segundos, se obtiene el menor error para cada algoritmo (4,02% y 3,40 %).Sistema ambiental para medir el salto vertical:- Dentro de esta segunda línea de trabajo se investigó en un novedoso sistema ambiental para medir la altura del salto, lo que supuso una innovación respecto a los sensores utilizados actualmente para este fin. El sistema ambiental consiste en una plataforma que detecta objetos sobre ella mediante la presión, y mide el tiempo transcurrido desde que un objeto se retira y se coloca de nuevo. El sistema detecta los objetos mediante una matriz de sensores piezoresitivos (Force Sensitive Resistors - FSR realizados con velostat). Las dimensiones de la plataforma son 30 cm x 30 cm, área sobre la cual se distribuyen un total de 256 sensores FSR. El salto vertical se calcula mediante la fórmula de tiempo de vuelo, y el resultado es enviado mediante Bluetooth a un PC o Smartphone. Se realizaron dos experimentos: en el primero participaron un total de 38 voluntarios, con el objetivo de validar el funcionamiento del sistema con una cámara de alta velocidad como referencia (120 fps); en el segundo experimento se capturaron los datos en crudo de 15 voluntarios, con estos datos se emularon 10 frecuencias de muestreo (desde 20 Hz hasta 200 Hz) y se analizaron los efectos de utilizar frecuencias más bajas. Del primer experimento se obtuvo un error relativo medio de 1.98% con un coeficiente de determinación r2= 0,996. Del segundo experimento se determinó que las frecuencias de muestreo de 200 Hz y 100 Hz muestran un desempeño similar al mantener un error relativo por debajo del 5% en el 95% de las mediciones.Finalmente, este trabajo de tesis concluye indicando las principales aportaciones realizadas para cada una de las dos líneas de trabajo, así como el trabajo futuro que podría desarrollarse en cada una de ellas.<br /

Development of Multifunctional E-skin Sensors

Electronic skin (e-skin) is a hot topic due to its enormous potential for health monitoring, functional prosthesis, robotics, and human-machine-interfaces (HMI). For these applications, pressure and temperature sensors and energy harvesters are essential. Their performance may be tuned by their films micro-structuring, either through expensive and time-consuming photolithography techniques or low-cost yet low-tunability approaches. This PhD thesis aimed to introduce and explore a new micro-structuring technique to the field of e-skin – laser engraving – to produce multifunctional e-skin devices able to sense pressure and temperature while being self-powered. This technique was employed to produce moulds for soft lithography, in a low-cost, fast, and highly customizable way. Several parameters of the technique were studied to evaluate their impact in the performance of the devices, such as moulds materials, laser power and speed, and design variables. Amongst the piezoresistive sensors produced, sensors suitable for blood pressure wave detection at the wrist [sensitivity of – 3.2 kPa-1 below 119 Pa, limit of detection (LOD) of 15 Pa], general health monitoring (sensitivity of 4.5 kPa-1 below 10 kPa, relaxation time of 1.4 ms, micro-structured film thickness of only 133 µm), and robotics and functional prosthesis (sensitivity of – 6.4 × 10-3 kPa-1 between 1.2 kPa and 100 kPa, stable output over 27 500 cycles) were obtained. Temperature sensors with micro-cones were achieved with a temperature coefficient of resistance (TCR) of 2.3 %/°C. Energy harvesters based on micro-structured composites of polydimethylsiloxane (PDMS) and zinc tin oxide (ZnSnO3) nanowires (NWs; 120 V and 13 µA at > 100 N) or zinc oxide (ZnO) nanorods (NRs; 6 V at 2.3 N) were produced as well. The work described herein unveils the tremendous potential of the laser engraving technique to produce different e-skin devices with adjustable performance to suit distinct applications, with a high benefit/cost ratio