可穿戴和生物遙測技術應用

2020年 4 月，美國航天基金會發(fā)布了2020年第一季度《航天報告》，從航天經(jīng)濟、從業(yè)人員、空間基礎設施、航天產品和創(chuàng)新四個部分對全球航天產業(yè)發(fā)展情況進行了總結與分析。本文摘編了報告中航天產品和創(chuàng)新相關內容，供讀者參考。

一、可穿戴技術緣起航天員

當人們完成一項訓練后，看一眼手表就能知道自己的心率和消耗的卡路里，當手表檢測到佩戴者心律不齊時還會發(fā)出警示信號?，F(xiàn)在，這樣的設備已經(jīng)非常普及。很難想象，在太空計劃之初，美國國家航空航天局（NASA）的航天員甚至還未擁有這類技術和設備。

20世紀60年代初，實時采集和傳輸生理數(shù)據(jù)是無法企及的幻想。隨著“水星計劃”（Project Mercury）的結束，周期越來越長的太空任務引起了人們對航天員健康的關注，從而催生了“雙子座計劃”（Gemini Program）?！半p子座計劃”的主要目標是確定人類在長期太空飛行中的耐受力，并開發(fā)跟蹤航天員在太空健康狀況的監(jiān)測系統(tǒng)——這對于后來的“阿波羅計劃”（Apollo Program）尤為重要，有助于進一步延長太空任務的持續(xù)時間進而到達月球。

1961年，人們首次利用可穿戴技術對生命體征進行了遠程監(jiān)測。當時，在地面監(jiān)測了航天員尤里·加加林的心電圖數(shù)據(jù)（ECG/EKG）、呼吸頻率、眼球運動和皮膚電反應。1962年，NASA與太空實驗室（Spacelabs）簽訂了一份合同，以開發(fā)一個監(jiān)測航天員生命體征的系統(tǒng)和一個同時將數(shù)據(jù)傳回地球的遙測系統(tǒng)。1965年，生命體征遠程監(jiān)測系統(tǒng)在雙子座4號任務中首次使用，航天員埃德·懷特在美國首次太空行走中佩戴了這一系統(tǒng)。1969年，第一個登上月球的航天員尼爾·阿姆斯特朗也佩戴了太空實驗室的產品。

埃德 · 懷特首次太空行走

二、生物遙測技術用于地面醫(yī)療

在NASA成功應用太空實驗室研發(fā)的生命體征遠程監(jiān)測系統(tǒng)后，太空實驗室又針對醫(yī)院開發(fā)了一種類似的系統(tǒng)，可用于跟蹤病人的康復情況。在接下來的十年間，該公司開發(fā)了多個系統(tǒng)，以滿足各種健康跟蹤需求。目前，這些系統(tǒng)還在不斷完善中，可供醫(yī)院、看護機構和緊急醫(yī)療救護技術人員現(xiàn)場使用。

21世紀初，NASA在對早期可穿戴技術進行更新的基礎上，開發(fā)了生命監(jiān)控系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能夠連續(xù)記錄2條導聯(lián)心電圖、心率、呼吸頻率、體溫、3個正交方向加速度、血氧飽和度和血壓。生命監(jiān)控系統(tǒng)可適用于多種地面應用，包括監(jiān)測心血管疾病患者、輔助診斷、監(jiān)測活動等級、評估步態(tài)穩(wěn)定性、評估治療效果、跟蹤睡眠質量和時長等。該系統(tǒng)還能提供實時數(shù)據(jù)，有助于在搜救任務中評估受傷士兵、消防員和救護人員的情況。

生命監(jiān)控系統(tǒng)

三、可穿戴設備融入物聯(lián)網(wǎng)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展成為熱點，可穿戴設備已成為物聯(lián)網(wǎng)市場的重要組成部分。截至2019年底，全球可穿戴技術方面的消費估計達到410億美元（較2018年增長25%），預計2020年將達到520億美元，同比增長27%。

盡管早期可穿戴技術的消費應用主要是腕表和助聽器等耐用設備，但這些設備并不能收集和傳輸佩戴者的相關數(shù)據(jù)。新型可穿戴設備配置了傳感器、軟件和聯(lián)網(wǎng)功能，可在無需人工干預的情況下與其他設備交換數(shù)據(jù)。例如，通過心電圖（ECG/EKG）監(jiān)測心率，通過肌電圖（EMG）了解肌肉生物信號，通過腦電圖（EEG）了解腦電波，從而跟蹤用戶的一系列生理數(shù)據(jù)。現(xiàn)在市面上的腕帶或智能手表大都采用了這類技術。

美國Fitbit公司于2008年推出了非傳統(tǒng)可穿戴健身技術。到2015年，該公司的可穿戴科技產品銷量躍居世界第一，具備跟蹤步數(shù)、里程、爬樓層數(shù)、消耗卡路里和睡眠模式等功能。2015年，蘋果公司的第一款智能手表Apple Watch首次亮相，迅速取代了Fitbit公司的產品，成為最暢銷的可穿戴設備。由于大眾對可穿戴設備數(shù)據(jù)的準確性提出質疑，2018年底發(fā)布的Apple Watch 4增加了心電圖功能，成為第一款受到美國食品藥品管理局（FDA）認可的具有心電圖功能的消費產品。

顯示佩戴者心率的Apple Watch 4

四、可穿戴技術將在太空和地球上互利發(fā)展

可穿戴技術已從太空應用于地球，但在太空中仍有一席之地。最近的醫(yī)學研究成果表明，航天員在太空停留6個月后，其頸動脈相當于老化了20到30歲。此外，由于缺乏鍛煉而產生的胰島素阻抗也會給航天員健康帶來威脅。隨著未來太空任務時長增加，對航天員的健康狀況進行準確跟蹤將更加重要。

加拿大Hexoskin公司研發(fā)了一款生命體征監(jiān)測產品Astroskin，作為加拿大航天局（CSA）“生物監(jiān)測器”（Bio Monitor）的一部分，用于跟蹤國際空間站上加拿大航天員的健康狀況。這種可機洗的智能襯衫可在睡眠或運動時穿著，用于監(jiān)測脈搏、血壓、呼吸狀況、血氧飽和度、活動等級、心率變異性和皮膚溫度等生理數(shù)據(jù)。該公司生產的另一款商業(yè)化產品Hexoskin智能服裝也能記錄類似數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給用戶。

新設備能夠檢測到其他健康風險。麻省理工學院一家專門從事人工智能的公司Empatica與NASA合作，研制了第一款獲得FDA許可的檢測癲癇發(fā)作的智能手表Embrace。目前，該公司已宣布開發(fā)出新型智能手表Empatica Plus。該手表采用了可穿戴技術，可用于對未來開展首次火星任務的乘員進行健康監(jiān)測。

加拿大航天員身穿帶有“生物監(jiān)測器”的衣服

在地球上，暈動病是一個困擾人類的問題，對于太空中的航天員而言，更是一個巨大的挑戰(zhàn)。人類的感官系統(tǒng)利用重力確定物理方位，太空中的微重力環(huán)境使感官系統(tǒng)暫時處于混亂狀態(tài)，即使對于經(jīng)驗豐富的航天員也會引發(fā)一系列問題，如出現(xiàn)定向障礙，甚至惡心嘔吐等。Zephyr公司開發(fā)了BioHarness產品，這是一種戴在上身的帶子，能夠獲取和傳輸一系列生理數(shù)據(jù)，幫助解決暈動病帶來的問題。NASA與Zephyr公司合作，在太空任務中對其進行測試。目前，BioHarness產品可對消防員、士兵、大學運動隊，甚至NFL、NBA和NHL等幾支職業(yè)運動隊球員的健康狀況進行跟蹤。

為了進一步向航天員提供可穿戴健康跟蹤能力，NASA的格倫研究中心（Glenn Research Center）開發(fā)了“便攜式代謝分析裝置”（PUMA），這是一種遠程測量航天員代謝率的裝置。英國制造商Dialog半導體公司與NASA共同開發(fā)了一個多傳感器乘員裝置，該裝置可監(jiān)測飛船狹小艙室中的二氧化碳和其他環(huán)境因子，為航天員提供警示信號，提示潛在的危險毒性因子的水平。

很難預測，用于太空探索的可穿戴技術和生物遙測技術未來將如何交叉和融合發(fā)展。但毫無疑問，未來將實現(xiàn)更多互利的進步，保障太空探索者和地球消費者的健康。