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传感器,可穿戴设备的灵魂

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发表于 2018-6-13 00:33:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
在可穿戴智能设备中,传感器是数据采集的核心部分,在整个设备中扮演着极为重要的角色,甚至就是可穿戴产品的灵魂所在。虽然大部分传感器体积微小,我们看不到它们的存在,但传感器技术的发展直接影响着可穿戴智能产品到底能做什么。
在各种传感器的使用中,可穿戴产品和手机、平板电脑等移动设备都是必不可少的。一些可穿戴设备往往有几个核心的传感器,比如智能手环Jawbone UP、Misfit Shine的核心传感器是加速度传感器, Moto 360智能手表则配有可见光心率传感器、六轴陀螺仪等等。除了可见光传感器,有的产品也开始加上气压传感器、体温传感器等,一般一个手环类可穿戴智能产品都会有好几个传感器。而我们最常见的手机通常会内置十多个这样的传感器,包括多轴陀螺仪、重力传感器、加速度传感器、光线传感器等等。
QQ截图20180613003205.jpg
图1 苹果手表结构图
传感器的整合范围和数量都在不断增加。比如苹果手表,在主机仅30克的运动版里,就集成了超过30个不同的芯片,其中包括多个不同种类的传感器。
目前应用在医疗可穿戴智能产品的传感器主要包括6种:
· 体温传感器,顾名思义,主要以测量温度为主,监测人体体温的变化。
· 热通量传感器,用来监测热量消耗能力,可以用于血糖辅助计算和新陈代谢能力推算。
· 体重计量传感器,用于计算身体质量指数(BMI)。
· 脉搏波传感器,推算血压、脉率等数据。
· 生物电传感器,可用于心电、脑电数据采集,也可用来推算脂肪含量等。
· 光学传感器,推算血氧含量、血流速。
美国数据调研公司IHS曾预计,随着消费者对各类可穿戴设备的需求的增长,可穿戴设备中的传感器出货量将会激增,在2013~2019年将增长7倍;可穿戴传感器出货量在2013年为6700万,2014年估计约8500万,2015年可增长一倍达1.75亿,2019年出货量则估计为4.66亿。
未来在健康领域的应用,将是可穿戴设备发展的一个重要方向。但众所周知,医疗领域是一个专业性强、门槛较高的领域,传感器技术如何在健康领域得到精准的应用与发展?我们认为未来将针对以下5个方面进行突破:
1. 拓宽应用范围

在可穿戴智能产品中,目前最常见的监测功能主要是心率监测,血压、血氧、血糖等体征数据的监测,以及体脂、肌肉、水分含量等方面的监测。除了这些直接的体征数据获取方式,另一部分则是通过对运动量的统计来监测健康状况,比如通过内置有加速度传感器的可穿戴智能产品,来收集我们每天的运动记步、运动距离,甚至睡眠质量信息。未来,我们可以看到人体上的各类生理数据,都将成为采集点,国际上众多高科技企业正在根据身体不同采集点的需求,研发这些可穿戴传感器。
QQ截图20180613003219.jpg
图2 可穿戴智能产品应用范围
2.使数据获取更为精准
数据的准确性一直是可穿戴智能产品应用到医疗领域让业界质疑和诟病的地方,缺少标准和值得比对的参考值。所以,可穿戴智能产品要想真正打开医疗市场,一套被认可的标准就非常重要。
通常数据准确性遭到质疑,原因主要有两方面:一方面,很多可穿戴设备的数据测量方式,与医学测量方式有所不同,所以在被医疗机构接受作为标准参考数据方面,就遭到了质疑;另一方面,很多可穿戴智能产品想进入医疗市场,但往往没有二类医疗器械许可证,因此在销售流通渠道也没有被当作标准参考设备而为市场接受,一个简单的例子是,医院和大夫并不能依此诊断病情。
传感器的准确性正是目前可穿戴智能设备进入医疗领域需要积极改进的地方。也有大的公司在这方面寻求突破,比如已经上市的苹果手表,据称通过其背部传感器测量的心率数据已经堪比专业设备。
根据iOS操作系统、Mac(苹果电脑)开发者布拉德·拉尔森的研究,苹果手表内置心率监测功能的准确率同专业的Mio Alpha智能心率手表所监测到的数据几乎完全一致。对此,拉尔森还同时佩戴了这两款设备外出运动,然后特地制作出了两者监控心率的波状图。从图中我们不难看出,两者所监测到的心率数据和波动几乎是完全一致的。
QQ截图20180613003231.jpg
图3 Mio Alpha和苹果手表监控心率波状图
苹果手表采用了一种被称为光体积描记法的原理来进行心率测量。人类血液之所以是红色的,是因为它会反射红光和吸收绿光,因此苹果手表

使用绿色的LED(发光二极管)灯和感光二极管来监测任何时候流过用户手腕的血液含量。用户心脏在跳动时血液会流过手腕,绿灯就会吸收该信息。而每秒通过LED灯闪烁好几百次,苹果手表就可以计算出用户每分钟的心跳次数,即心率。除了绿色的LED灯外,苹果手表还能利用红外光来追踪穿戴者的心率。事实上,红外光是苹果手表用来测量穿戴者心率的最主要手段,而只有当红外系统无法获得适当读数的时候,系统才会转用绿色的LED灯来进行监测。
不过大部分目前具备心率监测模块的可穿戴智能产品,主要依赖的是前述绿色可见光测量方法,苹果手表同时加入了两种测量方案以保证测量的可靠性和准确性。
未来,可穿戴传感器的制造厂商将以精准性作为竞争条件,突破市场重围。
3. 产品设计的存在感更弱、更无感
如何无感地进行健康数据的监测是可穿戴智能产品在医疗方面应用的一个难题,也是需要通过传感器来解决的问题。比如体温的监测,现在全球范围内已经有多个创业公司推出针对婴幼儿的体温监测智能产品,目的是让父母随时知道婴幼儿体温的变化,起到预警的作用。相比传统的水银体温计,这种“体温贴”类型的产品需要减小婴儿对其的感知度,否则就会影响使用的舒适感。
在2015年美国消费电子展上,已有像TempTraq这样的体温贴产品,采用了安全的材质和一次性设计,有效时间为24小时,能够与智能手机连接,跟踪体温并反馈数据,只需贴在宝宝的皮肤上即可。国内也有创业公司在做同类型的产品,比如“发烧总监”、iDO智能温度计等。同样是为了减小传感器的存在感,同样是婴儿体温监测,另一家名为Pacif-i的创业公司产品则选择了在婴儿安抚奶嘴中加入体温传感器,让体温数据在婴幼儿玩耍时自动反馈到手机里。
4. 传感器价格越来越便宜
没错,传感器价格对可穿戴智能产品最终走向大众市场,被广泛接受,也起着举足轻重的作用,摩尔定律在传感器的发展中仍然有效,集成度在不断提升,价格在不断降低。
以色列智能硬件初创公司Consumer Physics首席执行官德罗尔·沙龙曾透露,在过去10年内,许多传感器的平均单价降到原来的1/100。他们在自家红外智能家居控制器SCiO中用到了近红外光谱传感器,这项技术,就是我们熟悉的电视遥控器技术,国内这两年也有不少类似智能遥控器的产品出现,甚至一些旗舰手机也已经集成进去。此类芯片,平均每两年就会出新的一代,集成度翻倍而成本减半。
传感器市场从2006年开始,伴随着智能手机的发展,市场总量开始增长。除了摩尔定律的影响,需求和市场的扩张让传感器价格变得越来越便宜。据EDN China(一家关注中国电子设计领域的媒体)数据,从2006年到2014年,几个相对热门的传感器的成本降为原来的近1/5。以加速度传感器为例,单位成本价从1.8美元,跌到了0.4美元。
5. 未来将从单点测量走向连续测量
同时,应用于健康领域的传感器目前也遇到很多发展瓶颈,最典型的问题是,有些数据无法通过智能可穿戴的方式很好地获得,对应前面提到的这几个方向,有一个非常典型的例子,就是血压的无压迫连续测量。
血压数据如何无感连续测量?
这个问题看似简单,实则很难。传统的血压测量是基于物理原理,需要给测量部位进行力量压迫,然后通过血管壁的压力反馈来测量,但这种方式如果应用到手环里,就变得困难,在原理上需要有本质的突破。
为了实现血压仪的便携化,很多智能医疗设备厂商都在进行尝试。天津九安医疗给其iHealth智能云血压计采取的方式是让血压计佩戴在腕部测量,这样可以减小产品的体积;而康康血压的二代智能血压计方向近似,只是产品佩戴位置在肘部静脉处。
应该说,这样一些尝试都没有从本质上改变可穿戴智能产品在医疗应用上的突破。不过现在也已经有创业公司和研究团队在进行这方面的尝试。
比如一家名为37°手环的团队,选择利用光学原理,让智能手环产品也可以进行血压的测量,其原理实际上是传统光学传感器测量心率方式的延伸。
白色发光源照射手臂上的毛细血管,分析血液流速,通过算法转换得出使用者的血压数据。这是一种方向很好的尝试,但仍然会受到一些限制,比如如果使用者的皮肤上有文身,甚至汗毛过密,也会干扰数据测量。未来,这种模式的产品将会越来越多。

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发表于 2018-6-14 08:46:24 | 显示全部楼层
现在智能硬件核心就是传感器
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