原创深度:监测人体这个复杂的环境,可穿戴设备是如何做到的?

在工程师的眼里人体是一项完美的杰作,它可以承受瞬间升高的温度、刺骨的寒风,可以暴露在水中,承受擦伤和剧烈运动。人类的身体适应了我们对于冒险的追求,适应了我们对在不断变化的气候和环境中生存的渴望。

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无论什么样的冒险者——无论他是超级马拉松运动员、高山攀登者,还是石油钻井平台上的工作的深海潜水员——人类的努力无不令人惊叹。通过人类的思维我们发明了一系列技术来支持我们每一步的行动,拯救生命,利用我们所知的可穿戴设备来时刻监控我们的身体状况。

在本文中,我们将介绍可穿戴设备是如何经受住严酷的身体考验,以及这些设计是如何快速调整,从而保证无论我们想去哪里或者需要去哪里,技术都能与我们同在。

01、可穿戴技术的发展史

尽管科技在过去20年间发展迅速,但可穿戴技术的发展要比大家想象的要早得多,比如眼镜是在1286年发明的。维多利亚人(以爱发明著称)在19世纪设计了一顶装有空调的大礼帽,还在1890年设计了一件用电照明的连衣裙。但直到20世纪可穿戴技术才真正成熟起来。

飞利浦公司和李维斯公司在2000年合作开发了“ICD+”夹克,在内部设计了很多有线接口用来连接一系列便携式电子设备。中央控制模块(CCM)连接着所有设备,让穿戴者可以在手机、MP3以及耳机之间自由切换,从而控制它们各自的功能。在人体出汗的时候,这件夹克要能够经受住从内到外的温度变化,从而提供降温效果;在天气波动的时候,也能感受到温度的变化,虽然不太可能有人把这种产品推销给珠峰的登山者,但这样的设计确实能让产品既实用又时尚。

如今可穿戴设备已经无处不在,预计到2020年可穿戴设备的销量将超过1.7亿。每次我们将Fitbit智能手表戴在手腕上或者佩戴Apple Watch时,我们都希望它们能跟随我们到任何地方,经受住我们所做的事情,并在人类和电子工程史上从未涉及的地方发挥作用。设计师不仅要确保设备能够在常规情况下正常运行,还要能耐受极端环境。

02、干旱地区的情况

每个星期都有关于人类挑战极限的报道,在这个星球上没有什么比酷热和严寒更折磨人的了。加州的死亡之谷是世界上最热的地方,1913年温度甚至达到了56.7℃,这超出了人类生存的极限。现在该地区夏天的温度常常保持在47℃上下,但出于人类挑战自我的天性,还在这一地区举办了被称为“世界上最艰难比赛”的恶水超级马拉松(Badwater Ultramarathon),在这段217公里的赛程中很少有人能够跑完全程,据记载最快的选手是在35小时内跑完了全程。令人惊讶的是在这30年的比赛中没有人在这条赛道上丧生,但是它仍然被视为耐力和生存能力的终极考验之一。

参赛选手都有工作人员提供安全保障,提供水和医疗救援,选手不仅要在这种极端的挑战中生存下来,佩戴的可穿戴设备也要过关,汗水、沙子、压力和酷热都为制造商提供了测试可穿戴设备的终极环境。此外,科学家们也将参赛者作为研究对象来了解人类耐力的极限——比如2008年就有一项针对运动员水分循环的研究。

从工业设计的角度来看,面临的挑战是保持可穿戴设备的外观和功能,使其尽量的轻便小巧、易于操作,而且能够很好的展现其用途。即使是计步器这样简单的设计,工程师也要确保在耀眼的阳光下能看清屏幕内容,表带不会被灰尘颗粒侵蚀,按钮即使在有汗水和污垢的情况下也能正常工作。一款复杂的电子可穿戴设备需要足够坚固,能够防止灰尘和汗水进入内部,而且还不能影响运动员的注意力。

03、日常工作

当然不仅仅是超级运动员的身体和可穿戴设备会面临各种压力,人们每天上下班、运动走路和工作约会时佩戴可穿戴设备,也都会给他们的身体和设备带来压力。

想想看我们每天带着Fitbit智能手表洗碗或者上厕所后洗手,我们一天会把水溅到手上好多次,工程师们都知道这一点,因此即使那些声称不完全防水的产品,也要尽量让它们具有一定程度的防水性。

我们的香水、润肤水、护手霜和化妆品都会导致污垢积聚,影响可穿戴设备的传感器。把手伸进橱柜、接孩子或者用吸尘器打扫家务,这些都会让我们的手腕受到碰撞,也就会让我们的可穿戴设备受到震动。当我们进行体育运动,在一场网球比赛或健身课上挥汗如雨时,我们要确保健康追踪器必须强健耐用才能够适应我们的生活方式。考虑到现在大多数健身追踪器都包括心率监测,让一个光电二极管探测器和发光二极管(LED)组件靠近身体时,没有灰尘和汗水是非常重要的,当然这只是工程师面临的众多微小挑战之一。

04、我们的身体是一台极端的机器

那些在极端环境下工作的人需要依靠科技来保证安全并且监测他们的身体状况,空军飞行员、深海潜水员以及在阿拉斯加工作的科学家都会使用专门的设备,保证他们的身体能够承受所处的极端环境,例如飞行员每天都要经受超强的加速度和重力作用,需要通过可穿戴设备来监测这些因素对身体的影响。

美国国家航空航天局(NASA)和军事研究人员对我们的器官能够承受的加速度有着非常清楚的认知,他们通过测试发现14g的横向加速度已经超出了人类能承受的极限。

例如,作为正常的航空旅客,我们仍然对我们的身体充满期待,我们的技术能够帮助我们应对几小时内不断变化的压力、温度和位置变化,让我们能够安全的从加利福尼亚旧金山飞到纽约。

虽然已经证明大多数人无法承受高温(身体过热),在极端潮湿或60℃的环境中超过十分钟就可能造成死亡,此外因寒冷造成的死亡也很难划定,当一个人的身体温度下降到-21℃时就会死亡,但是需要多长时间达到这一点取决于几个因素,比如这个人是否习惯了很冷的环境等。

我们这些在最寒冷城市生活和工作的人,比如阿拉斯加的费尔班克斯,已经制定了应对机制,并且有基本的生活和工作保障设施。这里最低温度可达到-27℃,费尔班克斯的气候对人体和技术可靠性充满了挑战。电子设备在这种寒冷的气候条件下也很难正常工作:例如,Fitbit智能手表的最低使用环境是-20°F,然而因为它与我们的身体紧密接触,所以这类电子设备的温度要比外面环境的温度要高一些。

为了让人们能够在这样极端的环境下工作和生活,工程师们设计了一系列的传感器用来监测穿戴者的体温,随时提醒佩戴者可能出现的任何危险变化,这些传感器能够用于非常恶劣的环境,能够保护佩戴者的头部、手、身体和脚部并具有保温效果。

在电子工程师看来,要让这些传感器得以持续发展,还需要定制化设计可穿戴设备的电池,以应对极端温度环境,因为有些电池在低于-30℃的环境下就会停止工作。大多数LED显示屏也有特定的工作温度范围,需要工程师们特别关注。对于在极具挑战条件下运行的可穿戴设备,工程师也要考虑到其工作环境。

这些设备也有不同的消费者版本,包括为远足者和登山者准备的保暖衣物(采用电池供电),确保他们在探险期间的舒适度和安全性。然而如果是轻装短途旅行,需要携带多块电池来保暖,可能就是一种负担!尤为重要的是,探险者在旅行结束后一定不要把所有的衣服和可穿戴设备都交给洗衣店。虽然厂商不希望看到这种情况,但总是不可避免,因此可以在网上搜到很多关于在进水后如何恢复健康追踪器、智能手机和蓝牙耳机的建议。

人类在追求冒险或征服地球上一些最不宜居地方的过程中,似乎并没有放慢脚步。运动员不断挑战人体极限,来探索人类所能承受的最大速度、距离以及高度。可穿戴技术的出现让我们得以通过不断的反馈来监测这些活动。

05、体育领域的技术

在美式足球中技术的进步使得运动员的安全得到提高,锐步(Reebok)和MC10科技公司开发了一项创新技术,可以在比赛中测量球员被击中(或被拦截)的力量,这种监测可以让队医提前知道球员是否需要做脑震荡检查。内置传感器的头盔可以承受很大的外力,并确保职业运动员能够安全地进行比赛。

全球定位系统(GPS)追踪器可以安装在运动员的衣服中,从而可以实时提供美国国家橄榄球联盟(NFL)球员的速度、平衡性、爆发力和运动量等相关信息。传感器还可以监测软组织的早期受伤迹象,为教练和医护人员提供实时信息,从而确保球员在发生更严重受伤之前替换下来,这些传感器和设备必须是轻量型且不引人注目的,而且还要能够承受运动员在激烈的60分钟比赛中所产生的汗水、运动、冲击和摩擦的影响。

不仅仅是职业运动员需要这类信息,随着技术的突破甚至还可以了解其他更多信息。跑步爱好者也可以在袜子和跑鞋中安装传感器,作为一种跟踪运动的新方式。当连接到智能手机上时,这些数据可以显示跑步者的脚是如何着地的,从而让跑步者能够根据速度和身体素质作出适当的调整。能够采集速度、距离和人体工程学等信息,让跑步比以往任何时候都更加科学。通过设计,这些传感器还可以让跑步者追踪在人行道、小路和跑道上运动时脚部的冲击、撞击和出汗情况。

06、可穿戴设备的未来

那么可穿戴技术的未来究竟是怎样的呢?对于未来技术和消费者需求的判断并不总是那么完美,但是很明显我们对监测、记录和追踪我们每一个动作的需求并没有任何放缓的迹象。除了跟踪运动和体重的变化,未来有一天我们的训练设备会将运动转化为能量来驱动内部传感器,让我们的鞋子保持凉爽或者温暖,我们还可以戴上隐形眼镜,不用打开笔记本电脑就可以查看日历,安排每天的生活。无论人类未来走向何方,可以肯定的是可穿戴设备都将会迎来广阔的发展空间。

需注意以下几点:

  • 虽然不是传统意义上所说的恶劣环境,但是人体必需能够承受极端的温度、冲击,或者暴露在各种极端环境下。
  • 无论我们身处何处,可穿戴设备中的敏感元件必须能够与我们所处的环境保持同步。
  • 可穿戴设备迅速普及——健身带成为了最受欢迎的设备,能够在我们锻炼期间和之后显示体能、运动路线以及身体相关的统计数据。
  • 作为人类我们可以在一些具有挑战性和极端的环境中生存,然而身体产生的汗水、高负荷运动以及一些护肤品(防晒霜等)都会影响可穿戴设备的使用,如果没有考虑到这些方面,可能会造成设备失灵。
  • 在某些情况下人体也会保护可穿戴设备,比如设备的最低工作温度是-20℃,但是借助于体温在-30℃环境下也可以正常运行。

“作者:Robert
作者:Robert Huntley

Robert Huntley是一名获得HND认证的工程师,同时也是一名技术作者,他在电信、导航系统和嵌入式应用方面有着丰富的经验,他负责为贸泽电子公司撰写各类技术和实用文章。

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