【導(dǎo)讀】談及可穿戴技術(shù)時(shí)，人們首先能想到的就是類似手表的小玩意。然而，還有許多其他技術(shù)工具滿足可穿戴設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。
從歷史上看，這項(xiàng)技術(shù)常常用于保護(hù)個(gè)人、增強(qiáng)感官能力以及彌補(bǔ)局限性。不過，現(xiàn)代可穿戴設(shè)備正在拓寬人類在改善、健康和健身方面的視野。目前，專注于健康管理和數(shù)據(jù)可及性的可穿戴技術(shù)層出不窮。然而，可穿戴技術(shù)的下一階段將超越基本的醫(yī)療監(jiān)測，而是支持人工增強(qiáng)功能。
讓我們從早期的可穿戴設(shè)備開始探索可穿戴技術(shù)。
早期的可穿戴設(shè)備
雖然今天的許多可穿戴設(shè)備通過手表、戒指、吊墜、腕帶和植入物等形式來追求時(shí)尚和舒適，但早期的產(chǎn)品并沒有將舒適和便利作為主要考量。幾千年前，士兵的頭盔被認(rèn)為是一種高科技設(shè)備，因?yàn)樗梢宰屖勘谠庥鲱^部撞擊后幸存下來，而不是在沒有保護(hù)的情況下戰(zhàn)死。甚至眼鏡也曾是某些時(shí)代的可穿戴設(shè)備，因?yàn)樗岣吡藢W(xué)習(xí)以及為社會(huì)做貢獻(xiàn)的能力。
盔甲和眼鏡被認(rèn)為是被動(dòng)的可穿戴技術(shù)，與此同時(shí)機(jī)械化的可穿戴設(shè)備也推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步。機(jī)械化可穿戴技術(shù)在16世紀(jì)早期隨著懷表的誕生而興起，為工業(yè)應(yīng)用和普通人提供了方便和準(zhǔn)確的時(shí)間計(jì)量方法——這種方法對調(diào)度和制造非常重要（現(xiàn)在仍然如此）。通過這項(xiàng)新技術(shù)，從冶煉金屬到面包烘焙等各種工藝都可以做得更精確。腕表的問世為更多人帶來了這樣的便利。現(xiàn)代技術(shù)建立在這些進(jìn)步的基礎(chǔ)上，并將可穿戴技術(shù)提升到了新的水平。
我們來看看當(dāng)今的可穿戴設(shè)備達(dá)到了怎樣的水平。
當(dāng)今的可穿戴設(shè)備
與靜態(tài)裝甲或機(jī)械化技術(shù)的例子不同，當(dāng)今的可穿戴設(shè)備都是電子設(shè)備。由于諸如微處理器、顯示器和傳感器等器件的低成本大批量制造，越來越多的人現(xiàn)在能夠以相對較低的成本，更加容易地享受這些設(shè)備帶來的優(yōu)勢。
許多現(xiàn)代可穿戴設(shè)備用于健康和健身，還有些設(shè)備提供了信息技術(shù)和通信的無縫接入。這兩種用途都得到了積極的推廣，曾經(jīng)的機(jī)械腕表也被設(shè)計(jì)成有現(xiàn)代化的顯示屏和觸摸屏，從而變得更美觀。
知名電子制造商制造的手表可提供易于閱讀和定制的時(shí)間與日期顯示、日歷提醒、消息提醒以及音頻和視頻等功能，這樣的手表正日漸流行。隨著技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴設(shè)備將顯著影響我們與機(jī)器的互動(dòng)方式。但對大多數(shù)人來說，健康仍然是一大驅(qū)動(dòng)因素。
健康與健身監(jiān)測
加速度計(jì)技術(shù)的進(jìn)步主要推動(dòng)了健康和健身監(jiān)測設(shè)備的使用。加速度計(jì)使計(jì)步器能夠跟蹤步數(shù)；手表、手環(huán)、吊墜、戒指和我們今天所能想到的各種其他可穿戴器件都可以植入計(jì)步功能。
盡管傳統(tǒng)的戒指并不具有手表和手環(huán)那樣的功能性，但無線通信可以賦予它們監(jiān)測血流灌注指數(shù)（血液循環(huán)良好程度）、心率變異性、睡眠時(shí)間與水平、血氧水平甚至壓力水平（圖1）等功能。集成加速度計(jì)后，這些設(shè)備也可用作計(jì)步器。
圖1：雖然可穿戴技術(shù)的主力軍是手表和手環(huán)，但戒指也越來越受歡迎，特別是在新型顯示技術(shù)使其信息更容易獲取的情況下。（圖源：P.S/stock.adobe.com）
雖然計(jì)步器能夠很好地指示運(yùn)動(dòng)狀況，但它不能準(zhǔn)確地反映運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和消耗的卡路里。計(jì)步器可以計(jì)算步數(shù)，卻無法區(qū)分是在平地上行走或慢跑，還是在樓梯、山丘和斜坡上行走或慢跑。如果與GPS技術(shù)相結(jié)合，會(huì)有助于解決這一精度問題，但目前的GPS技術(shù)還不足以準(zhǔn)確可靠地檢測海拔高度。
智能手表和健身追蹤器是應(yīng)用非常廣泛的可穿戴設(shè)備。健身追蹤器通常沒有顯示屏，但可以計(jì)算步數(shù)、追蹤卡路里、記錄睡眠模式以及測量心率、血壓和皮膚電阻（出汗、壓力和運(yùn)動(dòng)水平）。
睡眠模式對許多人來說是非常重要的監(jiān)測功能，尤其是那些患有睡眠呼吸暫停的人。人們終于可以不用借助昂貴而又不便的睡眠研究設(shè)施，即可監(jiān)測和跟蹤睡眠模式。睡眠監(jiān)測對嬰兒也很重要，通過可穿戴的手腕設(shè)備可以檢測到嬰兒是否停止呼吸。
基于加速度計(jì)的健身追蹤器的另一個(gè)有用應(yīng)用是測量某人何時(shí)以及是否跌倒。這對老年人和老齡化人口尤其重要。雖然以往的無線按鈕可以在摔倒后激活，從而挽救了許多生命，但如果用戶失去意識(shí)，就無法通過這些按鈕發(fā)送求救信號。不過，通過手表、吊墜、戒指，甚至口袋里的可穿戴設(shè)備之間建立的無線通信，就可以在檢測到摔倒時(shí)向緊急聯(lián)系人發(fā)出警報(bào)。這項(xiàng)技術(shù)還有助于助追蹤阿爾茨海默癥或其他形式的癡呆癥患者，幫助醫(yī)護(hù)人員確保他們在大樓內(nèi)走動(dòng)時(shí)的安全。
更先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備也可以幫助挽救和延長生命。雖然相比那些20美元到100美元的可穿戴設(shè)備而言，可穿戴醫(yī)用設(shè)備的價(jià)格更高，但后者的用途并不限于監(jiān)測心率以及檢測并記錄心臟事件。通過無線接入全球網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程醫(yī)生，乃至基于云的服務(wù)，這些設(shè)備可以定期甚至實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，以便在發(fā)生任何事件時(shí)提醒監(jiān)測人員注意。
另一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的可穿戴醫(yī)用技術(shù)是貼片。雖然在大多數(shù)情況下，貼片以預(yù)先確定的速率釋放藥物，但許多貼片都嵌入了通過皮膚監(jiān)測生理狀況的主動(dòng)電子設(shè)備，以控制藥物的引入。同樣，可穿戴電刺激技術(shù)也已應(yīng)用多年。在這里，可剝可貼的一次性電極可以附著在肌肉和疼痛區(qū)域周圍，提供輕微、周期性的體表電刺激，可以覆蓋更深的內(nèi)部疼痛機(jī)制，從而緩解癥狀。
醫(yī)用可穿戴設(shè)備的下一個(gè)大趨勢可能是植入式傳感器。借助嵌入式技術(shù)，可以通過智能貼片、可穿戴手表、戒指、吊墜和腕帶更準(zhǔn)確地按需配藥。植入式傳感器可以與根據(jù)指令精確給藥的主動(dòng)貼片進(jìn)行通信。
硬膜下和植入式可穿戴技術(shù)
有些人可能認(rèn)為醫(yī)學(xué)植入是一種未來的技術(shù)，但醫(yī)療植入式設(shè)備實(shí)際上已經(jīng)存在了幾十年。第一臺(tái)心臟起搏器是在1958年植入的，從那時(shí)起，這項(xiàng)技術(shù)就在穩(wěn)步前進(jìn)，發(fā)展出了可以重新啟動(dòng)心臟的除顫器等植入式設(shè)備。
與可穿戴傳感器一樣，植入式傳感器的普及程度也在穩(wěn)步上升。現(xiàn)代植入式傳感器技術(shù)可以監(jiān)測血糖水平、組織和骨再生、高血壓、心律失常、神經(jīng)刺激（如人工耳蝸和人工晶狀體），甚至可以根據(jù)需要提供胰島素、宮內(nèi)避孕藥等藥物。
雖然胰島素泵和心臟起搏器這樣的設(shè)備就是通過手術(shù)植入的，但新技術(shù)可以讓醫(yī)療設(shè)備能夠通過注射的方式植入。這些可注射的傳感器可以在體外進(jìn)行無線通信。一種被稱為量子點(diǎn)的技術(shù)甚至可以存儲(chǔ)個(gè)人醫(yī)療信息。
這些可注射傳感器的一個(gè)巨大市場是監(jiān)測義肢設(shè)備，以改善功能性肌電控制。隨著膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和其他置換關(guān)節(jié)的普及，預(yù)計(jì)電動(dòng)神經(jīng)義肢的使用將增加（圖2）。反饋傳感器可檢測關(guān)節(jié)角度、皮膚接觸壓力和組織應(yīng)變情況。
圖2：植入式傳感器可幫助使用義肢進(jìn)行控制和感覺反饋。（圖源：Gorodenkoff/stock.adobe.com）
植入物也被用于非醫(yī)療應(yīng)用，例如將射頻識(shí)別技術(shù)植入皮下。射頻識(shí)別技術(shù)可以完全通過外部閱讀器提供的射頻能量工作，支持存儲(chǔ)可用于醫(yī)療警報(bào)的非易失性信息。一些人甚至植入了用于汽車和房屋開鎖的射頻識(shí)別設(shè)備。通過硬膜下RFID技術(shù)，可以將人體本身作為信用卡的載體，從而防范身份盜竊。
借助大腦植入物克服缺陷
大腦植入物，也稱為神經(jīng)植入物，直接連接到大腦和其他神經(jīng)細(xì)胞（圖3），可用于緩解帕金森病的癥狀或刺激交感神經(jīng)，以幫助控制消化和心率。
圖3：大腦植入物已成為現(xiàn)實(shí)，可用于監(jiān)測神經(jīng)放電、刺激神經(jīng)，以及直接向大腦提供感官信息。（圖源：ktsdesign/stock.adobe.com）
這些類型的醫(yī)療植入物中，有一些已經(jīng)幫助無數(shù)人改善了聽力和視力。甚至還有植入集成電路技術(shù)的成功案例，讓那些有色覺缺陷的人能夠看到并區(qū)分顏色。
使用這些植入物可以擴(kuò)展人類感覺器官的范圍——例如，將視野擴(kuò)展到紅外和紫外光譜現(xiàn)在已成為可能。聽力植入裝置還可以擴(kuò)大聽力范圍，并應(yīng)用特定的濾波器，讓用戶能夠聽到超出人類正常探測范圍的刺激。這也可以通過穿戴式助聽器來實(shí)現(xiàn)。
近期，更復(fù)雜的植入物已經(jīng)展示出使用計(jì)算機(jī)并通過腦電波解碼合成文本的能力。這些技術(shù)可以改變生活，因?yàn)榭梢岳盟季S模式來控制電動(dòng)化義肢和關(guān)節(jié)。
隨著可學(xué)習(xí)復(fù)雜的大腦放電模式的植入式人工智能處理器的出現(xiàn)，通過思考形狀和顏色與義肢和仿生肢體交流成為了可能。有了足夠的處理和DSP功能，植入式處理器就可以讓感覺神經(jīng)信息（如冷熱感覺、觸覺）跨越斷裂的神經(jīng)，順利傳遞。
為先進(jìn)的可穿戴技術(shù)優(yōu)化處理器內(nèi)核和外設(shè)
盡管空間有限，但外部可穿戴技術(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)工程師的偏好，整合各種各樣的處理器。在眾多功能強(qiáng)大的多核處理器可用的情況下，選擇處理器內(nèi)核與外設(shè)的優(yōu)秀組合，對于將理想的處理器與合適的可穿戴設(shè)備相匹配至關(guān)重要。
嵌入式應(yīng)用安全連接解決方案的知名廠商N(yùn)XP Semiconductors提供的i.MX RT500交叉微控制器可以滿足這種要求。這些微控制器融合了處理器內(nèi)核和專為可穿戴設(shè)計(jì)量身定制的外設(shè)接口，為各種應(yīng)用提供全面的解決方案。
圖1：i.MX RT500交叉微控制器
（圖源：貿(mào)澤電子）
i.MX RT500交叉微控制器配備了2D圖形引擎GPU，該GPU使用高速并行接口實(shí)現(xiàn)矢量圖形加速。該芯片還集成了MIPI串行顯示接口（MIPI DSI?），可與串行顯示模塊無縫對接。芯片上的LCD接口允許快速定制可穿戴設(shè)備，以利用TFT、OLED、微型LED，甚至是新興的量子點(diǎn)顯示技術(shù)。
i.MX RT500系列還采用了強(qiáng)大的200MHz Arm? Cortex?-M33處理器內(nèi)核，旨在提供實(shí)時(shí)響應(yīng)。該特性適用于5MB片上零等待狀態(tài)SRAM，確保關(guān)鍵代碼隨時(shí)可訪問，同時(shí)盡可能減少數(shù)據(jù)移動(dòng)的延遲時(shí)間。
此外，工作頻率為200MHz的Cadence Tensilica Fusion F1 DSP內(nèi)核可以管理來自各種外部傳感器的信號處理數(shù)據(jù)。這些傳感器可檢測化學(xué)水平，如糖或激素濃度，或監(jiān)測神經(jīng)活動(dòng)以傳遞感覺或緩解疼痛。
為了實(shí)現(xiàn)直接肌肉刺激和電脈沖等功能，需要多種接口來促進(jìn)與傳感器和執(zhí)行器的通信。這些接口使機(jī)械義肢能夠與肌肉互動(dòng)，恢復(fù)控制力和靈活性。i.MX RT500交叉微控制器包括高速USB 2.0、SPI、I2C、UART和I2S接口，可以連接傳感器和刺激器以及無線通信模塊。這種適應(yīng)性使可穿戴設(shè)備能夠隨著無線協(xié)議的更新?lián)Q代而發(fā)展。
i.MX RT500交叉微控制器還具有多個(gè)閃存接口、密碼和數(shù)學(xué)加速器，用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)安全算法。確保醫(yī)療數(shù)據(jù)和身體接口的安全，對于防止對心臟起搏器等設(shè)備的未經(jīng)授權(quán)訪問至關(guān)重要。高級安全支持可實(shí)現(xiàn)與外部電話或網(wǎng)絡(luò)之間的安全通信，包括非對稱加密、AES 256和SHA2-256（ECC和RSA）。此外，該器件還集成了安全引導(dǎo)和基于物理不可克隆功能（PUF）的密鑰存儲(chǔ)。先進(jìn)的能源管理可極大限度地減少能源消耗，可熔鏈路可保護(hù)根密鑰存儲(chǔ)。
結(jié)語
在不到60年的時(shí)間里，我們已經(jīng)從廣泛的外科植入技術(shù)發(fā)展到硬膜下和注射醫(yī)療監(jiān)測和管理技術(shù)。這些創(chuàng)新不僅挽救和延長了生命，而且還提高了生活質(zhì)量，使護(hù)理人員和醫(yī)療從業(yè)人員能夠以更低的成本護(hù)理更多的人。
集成電路的體積減小和功率更低的半導(dǎo)體技術(shù)使得人們能夠穿戴和植入更復(fù)雜、更安全的技術(shù)。雖然本文沒有討論作為可穿戴技術(shù)的服裝，但服裝也可以使人們受益，不過也存在一些挑戰(zhàn)，例如在洗滌和干燥后保持功能穩(wěn)定。
NXP i.MX RT500交叉微控制器是下一代可穿戴設(shè)備的理想處理器。它有成熟的開發(fā)環(huán)境可供使用，還有一些應(yīng)用說明可以指導(dǎo)人們了解AES加密、DSP示例和用法、電源管理以及實(shí)現(xiàn)安全I(xiàn)/O。
展望未來，我們將看到更多的可穿戴和可注射設(shè)備。智能貼片將簡化自動(dòng)給藥，特別是結(jié)合植入的傳感器使用時(shí)。利用RFID進(jìn)行身份識(shí)別和驗(yàn)證可能有助于遏制身份盜竊。我們探討了可穿戴設(shè)備的諸多醫(yī)用益處，但一旦我們成為機(jī)器的一部分，則有無限可能。
原創(chuàng)：Jon Gabay 來源：貿(mào)澤電子
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