可穿戴技術(shù)的應(yīng)用前景

李悅霖

可穿戴性是目前最令人興奮和富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一，它正在擁抱智能紡織品和機(jī)器人技術(shù)等尖端技術(shù)?？纱┐髟O(shè)備正在廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、防務(wù)、運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

醫(yī)療

雖然醫(yī)療診斷和治療已取得巨大進(jìn)展，但醫(yī)療服務(wù)的提供并沒有根本改變?；疾』驀?yán)重患病的人會(huì)咨詢醫(yī)生，并由受過醫(yī)學(xué)培訓(xùn)的專業(yè)人員治療。但這一切都在迅速變化，我們正朝著醫(yī)生和病人相互連接的未來邁進(jìn)。

可穿戴性是這一趨勢(shì)的核心，患者佩戴的設(shè)備越來越多地被用于監(jiān)測(cè)和24h護(hù)理。手術(shù)和治療設(shè)備也遵循同樣的趨勢(shì)，可穿戴連接設(shè)備無處不在。根據(jù)全球第二大市場(chǎng)研究咨詢公司MarketsandMarkets于2018年1月發(fā)布的一項(xiàng)新的市場(chǎng)研究（按設(shè)備、治療、應(yīng)用、類型、分銷渠道分列的可穿戴醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)），預(yù)計(jì)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)將從2017年的62.2億美元達(dá)到2022年的144.1億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為18.3%。然而，令人驚訝的是，可穿戴設(shè)備的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了普通消費(fèi)用途（類似活動(dòng)跟蹤和智能手表）的范圍，已轉(zhuǎn)向醫(yī)療應(yīng)用，尤其是用于管理慢性病患者。

醫(yī)療與消費(fèi)者應(yīng)用

醫(yī)療可穿戴設(shè)備不同于消費(fèi)市場(chǎng)上的可穿戴設(shè)備，雖然它們基于共同的前提，即產(chǎn)品要求舒適、易于使用且不笨重，但它們的功能服務(wù)于不同的目的。醫(yī)療可穿戴設(shè)備至關(guān)重要：它們能檢測(cè)到危及生命的情況、收集生物特征數(shù)據(jù)幫助患者診斷，甚至可以給藥以減輕疼痛。

另一個(gè)造成醫(yī)療可穿戴設(shè)備應(yīng)用推遲的區(qū)別在于，它們需要遵守嚴(yán)格的安全和精度標(biāo)準(zhǔn)。為了得到更廣泛的使用，醫(yī)療可穿戴設(shè)備首先需要克服監(jiān)管障礙和合規(guī)問題，此外在其使用的不同國(guó)家還需要協(xié)商醫(yī)療保險(xiǎn)報(bào)銷問題。醫(yī)療可穿戴產(chǎn)品必須獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)，如獲得美國(guó)食品和藥物管理局的批準(zhǔn)，并經(jīng)認(rèn)證符合ISO或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其精度和可靠性必須受到嚴(yán)格監(jiān)控。

目前，正在開發(fā)的醫(yī)療可穿戴設(shè)備能夠?yàn)榛加刑厥饧膊〉挠脩籼峁┲С郑绨d癇、慢性阻塞性肺病、哮喘、心律失常、慢性疼痛和乳腺癌。醫(yī)療設(shè)備收集的大量數(shù)據(jù)不僅對(duì)消費(fèi)者管理自身健康很有用，而且對(duì)醫(yī)療機(jī)構(gòu)改善其醫(yī)療設(shè)施也很有用。臨床醫(yī)生和其他醫(yī)療專業(yè)人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供診斷、治療建議、監(jiān)測(cè)患者依從性或輔助研究。遠(yuǎn)程病人監(jiān)控系統(tǒng)還可以節(jié)省時(shí)間，幫助降低護(hù)理成本。此外，雇主和保險(xiǎn)公司也會(huì)使用個(gè)人數(shù)據(jù)來管理健康和醫(yī)療成本。

在設(shè)計(jì)安全精確的醫(yī)療可穿戴設(shè)備時(shí)。必須對(duì)產(chǎn)品中使用的所有組件全盤考慮，任何不合格的部件都可能使整個(gè)產(chǎn)品變得不可靠或危險(xiǎn)。工程師在設(shè)計(jì)這些設(shè)備的硬件時(shí)需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵因素，包括產(chǎn)品生命周期、尺寸、重量、可靠性、抗體液能力、觸覺（聲音和感覺）?；颊卟幌Ｍ麛y帶笨重的附件，尤其是像可穿戴設(shè)備這樣需要一直隨身攜帶的附件。增加通信功能以支持遠(yuǎn)程醫(yī)療等不斷發(fā)展的趨勢(shì)意味著增加潛在的笨重組件，例如天線、發(fā)射器和附加電路。這意味著傳統(tǒng)組件（例如用戶與產(chǎn)品交互的開關(guān)）的空間更小了。即便開關(guān)現(xiàn)在需要占用的空間比以前少了，但如果要可靠地運(yùn)行許多年，它們?nèi)匀槐仨殱M足特定的性能要求。與醫(yī)療可穿戴設(shè)備中的所有其他組件一樣，開關(guān)也必須能承受苛刻的環(huán)境條件，例如體液和殺菌消毒劑。目前，新型可穿戴電子織物正在醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)和測(cè)試。它們可以改善部分疾病的診斷和治療。有的可以檢測(cè)多種生物信號(hào)，例如心電圖（ECG），以測(cè)量身體阻抗和皮膚電導(dǎo)。通過心電檢測(cè)，可以更早地診斷心臟病，從而預(yù)防猝死。

工業(yè)可穿戴設(shè)備

工業(yè)可穿戴設(shè)備（例如智能眼鏡和手套，頭戴式顯示器，攝像頭，音頻設(shè)備，嵌入衣服的傳感器）正在改變大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域。第一波工業(yè)可穿戴設(shè)備是從消費(fèi)類設(shè)備中改造而來的，而當(dāng)前的第二波工業(yè)可穿戴設(shè)備是專門為工業(yè)用戶設(shè)計(jì)的（例如，具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的頭戴式耳機(jī)和具有更長(zhǎng)電池壽命的智能手環(huán)，適用于輪班工作）。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正日益融入可穿戴設(shè)備中，以改善工人的安全，降低差錯(cuò)率，提高生產(chǎn)率和工作質(zhì)量。智能可穿戴設(shè)備可在工人和中心位置（例如現(xiàn)場(chǎng)辦公室）的數(shù)字平臺(tái)之間建立連接，從而提高可視性。使用可穿戴設(shè)備可以大幅改善對(duì)體力要求高和危險(xiǎn)職業(yè)的職業(yè)安全和健康管理，例如，跟蹤危險(xiǎn)工作區(qū)域中的工人位置并監(jiān)測(cè)工人的生理狀況（疲勞或壓力）。

通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可穿戴設(shè)備有望為工業(yè)領(lǐng)域帶來高增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的智能可穿戴設(shè)備和傳感器的發(fā)展是由可量化的結(jié)果驅(qū)動(dòng)的，例如工人傷亡率的降低、工人生產(chǎn)率的提高和成本的下降。由可穿戴設(shè)備提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能力、監(jiān)測(cè)和跟蹤能力將支持市場(chǎng)進(jìn)一步增長(zhǎng)。隨著連接性和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，能源、公用事業(yè)、制造業(yè)、建筑業(yè)和采礦等各行各業(yè)的公司都開始利用傳感器和連接性來產(chǎn)生更大的價(jià)值。先進(jìn)的傳感器、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)科學(xué)和分析技術(shù)的使用，在安全性、生產(chǎn)率和決策方面帶來了巨大的進(jìn)步，這也昭示了可穿戴設(shè)備未來的美好前景。

這種顛覆性的力量正在逐漸滲入個(gè)人防護(hù)用品（PPE）領(lǐng)域。工人們依靠個(gè)人防護(hù)用品來保證他們?cè)跐撛谖ｋU(xiǎn)工作環(huán)境中的安全性。在這一層面上，最終用戶、雇主和買方有牢不可分的共同利益：獲得符合規(guī)定的個(gè)人防護(hù)用品和其他安全設(shè)備，并通過防止工作場(chǎng)所傷害和避免由此產(chǎn)生的費(fèi)用來增加保護(hù)。雇主有權(quán)要求擁有“智能”安全設(shè)備，制造商應(yīng)滿足他們的需求。

在PPE中可穿戴設(shè)備和傳感器的眾多應(yīng)用中，最常見的應(yīng)用有：

（1）保護(hù)環(huán)境免受無形風(fēng)險(xiǎn)

智能防護(hù)服帶有氣體、化學(xué)、熱、聲音、紫外線、沖擊和脈沖傳感器，可監(jiān)測(cè)外部環(huán)境和使用者。它會(huì)及時(shí)提醒佩戴者注意危險(xiǎn)，以便采取預(yù)防措施，并提醒主管人員在工人遇到麻煩時(shí)進(jìn)行干預(yù)。

（2）智能通信系統(tǒng)：智能頭盔、耳罩和口罩可在嘈雜或低能見度的環(huán)境中提供快速有效的通信。

（3）更安全的設(shè)備：智能鎖定/掛簽、倒車攝像頭和警報(bào)裝置、機(jī)器的智能自動(dòng)化和其他自動(dòng)化安全措施使工人更加安全。

運(yùn)動(dòng)可穿戴設(shè)備

互連可穿戴設(shè)備引起了相當(dāng)大的熱議，它將改變業(yè)余和職業(yè)體育。除了像健身手表這樣的貼身可穿戴設(shè)備，我們還看到了用于運(yùn)動(dòng)、健身和保健的“身上”智能服裝，包括T恤、帽子、文胸、褲子、襪子和鞋子。具有可調(diào)節(jié)性、發(fā)光性、觸感和靈敏度等功能的可穿戴電子紡織技術(shù)可用于多種體育應(yīng)用以及醫(yī)療、太空探索和游戲等其他領(lǐng)域。

主要的可穿戴電子織物具有嵌入式電容、電阻和光學(xué)傳感器，使紡織品能夠感應(yīng)到觸摸、應(yīng)變、壓力、溫度和濕度。傳感器通常連接到控制板以處理信息。Wi-Fi和藍(lán)牙是交互式紡織品中最常見的通信方法，采用混合供電方式。這對(duì)電池的要求是必須滿足可拆卸，或滿足薄、扁平、柔性要求，能經(jīng)受洗滌、干燥、熨燙和干洗。

2018年在韓國(guó)平昌舉行的冬季奧運(yùn)會(huì)上，運(yùn)動(dòng)員們冒著零下的溫度，展示了采用嵌入式加熱技術(shù)的服裝。拉爾夫·勞倫為美國(guó)奧運(yùn)代表隊(duì)和殘奧會(huì)代表隊(duì)設(shè)計(jì)了防水外套，在細(xì)長(zhǎng)的電池組上配備了紐扣，運(yùn)動(dòng)員甚至可以戴著手套輕松按下按鈕，以保持溫暖。他們還可以通過手機(jī)設(shè)置所需的溫度水平。

其他案例包括OM SignaI公司的PoloTech智能運(yùn)動(dòng)服，由拉爾夫·勞倫設(shè)計(jì)，在布料中嵌入了導(dǎo)電的銀纖維，它集成了生物傳感器，可以監(jiān)測(cè)溫度、壓力水平、心率和呼吸。通過藍(lán)牙連接到iPhone、iPod和iWatch上的移動(dòng)應(yīng)用程序，還能計(jì)算步數(shù)，記錄消耗的卡路里和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。OM Signal公司的OMbra是一款智能文胸，由聚酯、彈性纖維和尼龍混合制成，具有最佳拉伸效果，并使用與PoloTech智能運(yùn)動(dòng)服相同的傳感器，可以鏈接到OMRun應(yīng)用程序或其他健康和體育應(yīng)用程序。這兩種產(chǎn)品都是可清洗的，帶有可拆卸的傳感器，在下次充電前可使用10次。在鞋類領(lǐng)域，Digitsole智能鞋可以計(jì)算步數(shù)、走過的距離和消耗的卡路里，并集成了足暖系統(tǒng)和手電筒。

目前，這些技術(shù)產(chǎn)品對(duì)于日常消費(fèi)者來說太貴了，新的產(chǎn)品解決方案正在職業(yè)體育領(lǐng)域進(jìn)行測(cè)試。雖然到現(xiàn)在為止人們最關(guān)注的還是體育器材、技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)如何提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)，不過人們對(duì)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和生物測(cè)定數(shù)據(jù)采集已經(jīng)越來越感興趣。這些數(shù)據(jù)可以用來分析人類的表現(xiàn)，例如呼吸頻率、心率、體溫、水合水平和肌肉張力。

在世界一級(jí)方程式賽車錦標(biāo)賽（F1）中，技術(shù)創(chuàng)新傳統(tǒng)上主要集中在汽車、輪胎等部件和配套的IT系統(tǒng)上，對(duì)車手和支持人員的關(guān)注較少。然而，車手的表現(xiàn)是贏得任何比賽的關(guān)鍵。在汽車駕駛艙內(nèi)，駕駛員的身體承受著擁擠、高溫、脫水和重力的巨大壓力。維修站工作人員、工程師和其他工作人員也承受著來自惡劣環(huán)境、不同時(shí)區(qū)和極端氣候的相當(dāng)壓力。司機(jī)們?cè)絹碓蕉嗟卮┲c汽車相連線的特殊服裝來監(jiān)控自己的狀態(tài)。通過使駕駛員和其他團(tuán)隊(duì)成員對(duì)自身健康和安全采取積極的態(tài)度，不同類型的智能可穿戴設(shè)備可以為他們提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。可穿戴設(shè)備實(shí)時(shí)收集有關(guān)身體行為的更多數(shù)據(jù)，可以幫助改善個(gè)人決策、反應(yīng)和恢復(fù)能力，并能使團(tuán)隊(duì)采取措施優(yōu)化成員的表現(xiàn)?？梢哉{(diào)節(jié)身體比如能調(diào)節(jié)體溫的衣服可能對(duì)使用者來說特別有益。最終，正是它們的實(shí)用性推動(dòng)了此類可穿戴設(shè)備的采用。

物聯(lián)網(wǎng)還可以通過增強(qiáng)內(nèi)容和娛樂來改變觀眾的體驗(yàn)。借助智能可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)，可以將球隊(duì)和球迷聯(lián)系在一起。通過連接到賽道、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上或嵌入衣服中的傳感器的移動(dòng)應(yīng)用程序，粉絲可以通過視頻源跟隨自己喜歡的車手、球員或球隊(duì)，參加現(xiàn)場(chǎng)投票，并在社交媒體上分享他們的經(jīng)驗(yàn)。在足球和橄欖球運(yùn)動(dòng)中，智能可穿戴設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)跟蹤。包括心電圖讀數(shù)和360°監(jiān)控，這對(duì)于球員和教練很有用。在一些比賽中，球迷們可以在他們的屏幕上接收關(guān)于球員奔跑距離或傳球數(shù)據(jù)。在E方程式賽車（電動(dòng)汽車）中，車迷們可以通過賽事的官方應(yīng)用程序投票給車手提供動(dòng)力。還有很多更令人興奮的創(chuàng)意正在醞釀中，將大大豐富觀眾的體驗(yàn)。

可用性和舒適性對(duì)于B2C（企業(yè)對(duì)客戶）和B2B（企業(yè)對(duì)企業(yè)）體育應(yīng)用都是極其重要的。笨重的戰(zhàn)術(shù)夾克會(huì)干擾到運(yùn)動(dòng)員或球員，阻礙他們的運(yùn)動(dòng)，因此正在為體育應(yīng)用開發(fā)不那么堅(jiān)固但更靈活的材料，包括電子紡織品。納米纖維正在測(cè)試中，以取代不方便的電線。隨著傳感器技術(shù)變得更輕、更薄、更靈活，可穿戴電子織物將變得更加便攜，但它還需要有可延展性，易于融入服裝，能根據(jù)個(gè)人身體物理狀況和環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前正在研究提高可洗性，延長(zhǎng)電池壽命和可回收性。

如果沒有電極、連接器和互連器等電子組件，將無法使用可穿戴電子織物?？纱┐麟娮涌椢镌谑占镫娦盘?hào)時(shí)，電極將在人體和電路之間架起一座橋梁。電子紡織電路需要的電源來自鋰聚合物電池。正在開發(fā)和研究創(chuàng)新性的電源能源系統(tǒng)，以嵌入到運(yùn)動(dòng)服裝和其他類型的服裝中。電路的日趨微型化也使得各功能的無縫結(jié)合成為可能，從而提高了可穿戴電子織物的市場(chǎng)滲透率。

紡織電路是建立在紡織基材上的電路，例如通過將刺繡導(dǎo)電線并入紡織品基底中。導(dǎo)電圖形也可以使用基于石墨烯的噴墨打印技術(shù)來制作。另一種建立紡織品電路的技術(shù)是在紡織基材上焊接一個(gè)電路。將電路連接到紡織品后，就可以像傳統(tǒng)印刷電路板一樣進(jìn)行焊接。

纖維技術(shù)提供了在織物中嵌入功能的另一種方式?？梢允褂贸Ｒ?guī)編織方法將纖維整合到紡織品中。生產(chǎn)方法的進(jìn)步，例如熱拉拔工藝，正在帶來新的機(jī)遇?，F(xiàn)在可以將多種材料組裝成復(fù)雜的幾何形狀。通過改變材料的特性，可以制造出能感知、適應(yīng)和通信的纖維。在未來，織物可以通過改變溫度、顏色或硬度來對(duì)刺激做出反應(yīng)。

運(yùn)動(dòng)型可穿戴設(shè)備的發(fā)展將取決于原始設(shè)備制造商是否有能力生產(chǎn)具有無縫嵌入式電子設(shè)備的產(chǎn)品以滿足用戶的舒適性和性能需求，以及可穿戴設(shè)備對(duì)球員、教練、球隊(duì)和球迷的有用性。結(jié)合跨行業(yè)專業(yè)知識(shí)（例如電路設(shè)計(jì)、紡織創(chuàng)新、系統(tǒng)集成和連接），打造出智能的、舒適和高性能的運(yùn)動(dòng)可穿戴設(shè)備，將帶來巨大的增長(zhǎng)機(jī)遇。