První levné krokoměry, které zaplavily Česko už v 90. letech, byly spíše tragikomické. Uvnitř malé plastové krabičky, kterou jste si zacvakli za opasek kalhot, strašilo primitivní kyvadélko a na povrchu drobný displej.
Když jste udělali krok, kyvadélko se vychýlilo, a buď rovnou sepnulo elektrický obvod a vytvořilo pulz, anebo už jeho samotný pohyb změnil vodivost okruhu takovým způsobem, aby drobný integrovaný obvod zareagoval navýšením čítače kroků na segmentovém displeji.
Přesnost podobných pedometrů za pár stovek a ryze pro rekreační turisty byla nanejvýš sporná a spíše šlo o to, jestli jste těch kroků na nedělním výletě ušli deset tisíc, nebo pět, než aby vám krabička řekla cokoliv přesnějšího.
Dost bylo kyvadélek
Co se od té doby změnilo? Sportovní doplňky dnes počítají dříve netušené věci. Z počtu kroků se pokoušejí odhadnout vzdálenost, z kadence pak charakter sportovního výkonu a také spálené kalorie.
Mechanické kyvadélko už dávno nahradily miniaturní mikroelektromechanické akcelerometry, výkonné armové čipy, no a přibyla armáda dalších senzorů včetně detektoru srdeční činnosti na bázi fotopletysmografie (PPG).
Počítání kroků je složité jako předpověď počasí
Byť to dnes považujeme za samozřejmost, počítání kroků zařízením, které může být na zápěstí (hodinky/náramek), nebo třeba v batohu na zádech a kapse u kalhot (mobilní telefon), je neuvěřitelně složitý matematický problém.
Při chůzi totiž vytváříme ohromné množství dílčích pohybů celým tělem, až vypadá výstup z akcelerometru a dalších čidel na první pohled jako naprosto nepřehledný šum.
Surová data trojosého akcelerometru při chůzi a běhu:
(Použitý hardware: Arduino Nano 33 BLE Sense s IMU čipem LSM9DS1)
Firmware počítadla musí v tomto šumu najít nějaký opakující se vzor, který poté bude interpretovat jako jednotlivé kroky. Tato technika však relativně bezchybně funguje pouze v laboratorních podmínkách. Pokud se naopak opakující se vzor neustále mění, hraničí jakékoliv pokus o věrohodnou detekci kroků s mačkáním čudlíků na výherních automatech.
Nehrajte karty, jinak budete sbírat falešné kroky
Všechny pedometry tedy měří kroky docela slušně jen při relativně stabilní – čítankové – chůzi a běhu, jakmile však bude pohyb jakýmkoliv způsobem nestandardní, chybovost může vzrůst o jednotky až desítky procent.
Zatracený senior
Otázka přesnosti sportovních doplňků v minulosti zaujala nejeden akademický tým, a tak vznikla celá kupa studií, která se ji pokusila změřit. Skupina irských vědců se například podívala na to, jak je podobná elektronika spolehlivá, pokud ji začnou používat třeba senioři (PDF). Senioři, které trápí bolest kloubů, senioři, kteří si vyšlapují s holí v ruce a tak podobně.
Vědci vyzbrojili seniory chytrými náramky a nahnali je na běžecký pás
Autoři tehdy nahnali několik testovacích důchodců na běžecký pás a vystrojili je čidly od Fitbitu, Garminu, Withingsu a dalších výrobců. Jak to dopadlo? Prakticky všechny podobné krabičky selhaly, měly totiž problém s příliš pomalou rychlostí pohybu okolo 2 km/h.
Stručně řečeno, jejich vnitřní modely toho, jak v šumu z akcelerometru rozpoznat krok, byly optimalizované spíše na mladší a aktivní muže a ženy.
Chybovost počítání kroků na zařízeních Fitbit podle charakteru chůze/běhu a podle umístění čidla na těle. Čím pomalejší (very slow) a atypičtější (self-paced) tempo pohybu, tím nižší přesnost detekce.
S podobnými závěry přišla i další skupina z kanadského Vancouveru, která si vzala na paškál několik modelů náramků Fitbit.
Počítadlo srdeční aktivity
Stejně orientační je i detektor srdečního tepu. Zvláště pak u čidel, které používají dnes nejrozšířenější a nejlevnější optickou metodu. To znamená, že povrch pokožky prozáří zpravidla zelená LED, nebo případně i infračervená LED, načež optický detektor sleduje, zdali se změní zbarvení pokožky.
Typický optický čip pro měření pulzu na spodní straně sportovních/chytrých hodinek a v surové podobě na prototypovacích deskách MAX30102 a Pulse Sensor.
Když se totiž do drobných vlásečnic nažene čerstvá krev, pokožka lehce změní barvu. Právě z těchto střídajících se změn lze vyčíst periodický pulz, vypočítat BPM – počet úderů za minutu a dokonce odhadnout míru okysličení (oximetrie).
Jenže i v tomto případě detektor počítá s ideálním zápěstím a s ideální pokožkou. Stačí, aby byl pásek stažen nízkou silou, případně aby v prozáření bránilo husté ochlupení či třeba příliš tmavý pigment kůže, a měření bude podle vědců relativně chybové.
Surová data z analogového optického detektoru pulzu:
(Použitý hardware: Arduino Uno a Pulse Sensor)
Přesto, i tento údaj orientačně stačí a přinejmenším jej může software sportovního doplňku využít k detekci zátěže organizmu. Tedy, i když nemusí být počet úderů srdce na jednotku přesný, i naprosto hloupý fotopletysmogram zjistí, zdali jste z naprostého klidu přešli k aktivitě, která ve vašem případě hraničí s rizikem infarktu. Třeba pokud jste se vrhli do pečlivého nedělního úklidu.
Počítadlo kalorií
Vedle pedometru a čítače srdečního pulzu tu nakonec máme možná ten nejdůležitější a už ryze odvozený údaj – počítadlo kalorií. Právě tento údaj mnohé motivuje k nákupu nějakého toho pasivního sportovního doplňku, když totiž zahlásí, že jeho majitel právě spálil tolik a tolik kilokalorií nebo kilojoulů, o to snáze si vnitřně obhájí návštěvu blízkého pivního výčepu.
Chyby v počítání kroků a spálené energie na zařízeních Fitbit. Všimněte si, že rozptyl v případě detekce spálené energie je větší než u kroků (až na extrém zvýrazněný elipsou).
I na kalorie se zaměřily všechny doposud citované studie, já však připomenu ještě jednu s poměrně vypovídajícími grafy. Publikovala ji skupina vědců ze Stanfordovy univerzity a stockholmské Fakulty sportovních studií, kteří měřili chybovost Apple Watch, Fitbit Surge, Microsoft Band a několika dalších náramků/hodinek.
Nutno podotknout, že i tato studie má za sebou nějaký ten rok, nemůžeme ji tedy vztahovat k nejnovější generaci těchto zařízení a jejich nejnovějším firmwarům. Slouží výhradně orientačně jako obecný vhled na otázku, jak přesné je měření rekreační sportovní aktivity jako takové.
Chybovost v řádu desítek procent
Na co vědci přišli? Měření srdeční aktivity bylo u všech zařízení a během různých aktivit téměř totožné a s chybou v řádu jednotek procent. Jednalo se tedy nesporně o použitelný údaj, a nikoliv nějaký nahodilý šum.
Měření srdečního pulzu při různých aktivitách různými zařízeními
Jinak tomu ale bylo s detekcí spálených kalorií. Byť se objevují nejrůznější prototypy nové generace sportovních kalorimetrů, ty současné jsou samy o sobě slepé a propálenou energii odhadují jen na základě nepřímých údajů o metabolické aktivitě (kroky, srdeční pulz apod.), kterou srovnají s vlastním statistickým modelem. Výpočet zároveň mohou zpřesnit doplněním údajů o věku, hmotnosti, pohlaví apod.
Měření srdeční aktivity sportovním doplňkům už relativně jde, ale odhad spotřebované energie tak slavný není a nanejvýš orientační
I tak se však jedná o velmi hrubý model fungování metabolismu a jeho spalování energie, což potvrdila i zmíněná studie. Chybovost v určení propálených kalorií při různých pohybových činnostech od prostého sezení po jízdu na rotopedu se totiž v tomto případě počítala na desítky procent.
A ještě jeden typ zobrazení chybovost v detekci srdečního pulzu a spotřeby energie. Zde je patrný mnohem větší rozptyl na obrázku vpravo, který reprezentuje právě spále kalorie.
Podobně mluví i další studie, podle kterých se odhad spotřebované energie u podobných zařízení liší v průměru zhruba o 40-50 procent oproti skutečnosti.
Pozor na stanovování denních cílů
Na stranu druhou, abychom nekřivdili výrobcům sportovních náramků a hodinek, podobné studie, které by zkoumaly ty zdaleka nejnovější a nejpokročilejší sportovní doplňky, zatím k dispozici nejsou, a tak nemůžeme posoudit, jak se situace za posledních několik málo let změnila.
Google Fit na telefonu Pixel 4 může odhadovat aktivitu na základě pokročilých čidel v telefonu včetně komplexní IMU, GPS a A.I. Právě A.I. a strojové učení ale bylo v tomto případě na škodu. Aplikace se naučila, že jezdím do práce zpravidla na kole. Když jsem tedy pro jednou použil podobně pomalou MHD, spletla se a započítala mi falešné 3 kilometry k dobru. Tím pádem je celá statistika dne k ničemu.
Výrobci do hry postupně zapojují stále pokročilejší modely s využitím A.I. a hlavně strojovým učením, které může upravovat základní model přesně na vaší míru.
Přesto, pokud si ve své fitness aplikaci na mobilu či hodinkách nastavujete jakýkoliv denní cíl pro našlapané kroky a spálené kalorie, mějte na paměti, že se jedná o nanejvýš orientační hodnotu, která může v extrémních případech připomínat spíše věštění z kávové sedliny než exaktní vědu.
