【導讀】談及可穿戴技術(shù)時(shí)，人們首先能想到的就是類(lèi)似手表的小玩意。然而，還有許多其他技術(shù)工具滿(mǎn)足可穿戴設備的標準。
從歷史上看，這項技術(shù)常常用于保護個(gè)人、增強感官能力以及彌補局限性。不過(guò)，現代可穿戴設備正在拓寬人類(lèi)在改善、健康和健身方面的視野。目前，專(zhuān)注于健康管理和數據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療監測，而是支持人工增強功能。
讓我們從早期的可穿戴設備開(kāi)始探索可穿戴技術(shù)。
早期的可穿戴設備
雖然今天的許多可穿戴設備通過(guò)手表、戒指、吊墜、腕帶和植入物等形式來(lái)追求時(shí)尚和舒適，但早期的產(chǎn)品并沒(méi)有將舒適和便利作為主要考量。幾千年前，士兵的頭盔被認為是一種高科技設備，因為它可以讓士兵在遭遇頭部撞擊后幸存下來(lái)，而不是在沒(méi)有保護的情況下戰死。甚至眼鏡也曾是某些時(shí)代的可穿戴設備，因為它提高了學(xué)習以及為社會(huì )做貢獻的能力。
盔甲和眼鏡被認為是被動(dòng)的可穿戴技術(shù)，與此同時(shí)機械化的可穿戴設備也推動(dòng)了社會(huì )的進(jìn)步。機械化可穿戴技術(shù)在16世紀早期隨著(zhù)懷表的誕生而興起，為工業(yè)應用和普通人提供了方便和準確的時(shí)間計量方法——這種方法對調度和制造非常重要（現在仍然如此）。通過(guò)這項新技術(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(wèn)世為更多人帶來(lái)了這樣的便利?，F代技術(shù)建立在這些進(jìn)步的基礎上，并將可穿戴技術(shù)提升到了新的水平。
我們來(lái)看看當今的可穿戴設備達到了怎樣的水平。
當今的可穿戴設備
與靜態(tài)裝甲或機械化技術(shù)的例子不同，當今的可穿戴設備都是電子設備。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(lái)越多的人現在能夠以相對較低的成本，更加容易地享受這些設備帶來(lái)的優(yōu)勢。
許多現代可穿戴設備用于健康和健身，還有些設備提供了信息技術(shù)和通信的無(wú)縫接入。這兩種用途都得到了積極的推廣，曾經(jīng)的機械腕表也被設計成有現代化的顯示屏和觸摸屏，從而變得更美觀(guān)。
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(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴設備將顯著(zhù)影響我們與機器的互動(dòng)方式。但對大多數人來(lái)說(shuō)，健康仍然是一大驅動(dòng)因素。
健康與健身監測
加速度計技術(shù)的進(jìn)步主要推動(dòng)了健康和健身監測設備的使用。加速度計使計步器能夠跟蹤步數；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步功能。
盡管傳統的戒指并不具有手表和手環(huán)那樣的功能性，但無(wú)線(xiàn)通信可以賦予它們監測血流灌注指數（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。集成加速度計后，這些設備也可用作計步器。
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(lái)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）
雖然計步器能夠很好地指示運動(dòng)狀況，但它不能準確地反映運動(dòng)的強度和消耗的卡路里。計步器可以計算步數，卻無(wú)法區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)相結合，會(huì )有助于解決這一精度問(wèn)題，但目前的GPS技術(shù)還不足以準確可靠地檢測海拔高度。
智能手表和健身追蹤器是應用非常廣泛的可穿戴設備。健身追蹤器通常沒(méi)有顯示屏，但可以計算步數、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、壓力和運動(dòng)水平）。
睡眠模式對許多人來(lái)說(shuō)是非常重要的監測功能，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施，即可監測和跟蹤睡眠模式。睡眠監測對嬰兒也很重要，通過(guò)可穿戴的手腕設備可以檢測到嬰兒是否停止呼吸。
基于加速度計的健身追蹤器的另一個(gè)有用應用是測量某人何時(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(wú)線(xiàn)按鈕可以在摔倒后激活，從而挽救了許多生命，但如果用戶(hù)失去意識，就無(wú)法通過(guò)這些按鈕發(fā)送求救信號。不過(guò)，通過(guò)手表、吊墜、戒指，甚至口袋里的可穿戴設備之間建立的無(wú)線(xiàn)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。這項技術(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，幫助醫護人員確保他們在大樓內走動(dòng)時(shí)的安全。
更先進(jìn)的醫療設備也可以幫助挽救和延長(cháng)生命。雖然相比那些20美元到100美元的可穿戴設備而言，可穿戴醫用設備的價(jià)格更高，但后者的用途并不限于監測心率以及檢測并記錄心臟事件。通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入全球網(wǎng)絡(luò )、遠程醫生，乃至基于云的服務(wù)，這些設備可以定期甚至實(shí)時(shí)上傳數據，以便在發(fā)生任何事件時(shí)提醒監測人員注意。
另一項廣泛應用的可穿戴醫用技術(shù)是貼片。雖然在大多數情況下，貼片以預先確定的速率釋放藥物，但許多貼片都嵌入了通過(guò)皮膚監測生理狀況的主動(dòng)電子設備，以控制藥物的引入。同樣，可穿戴電刺激技術(shù)也已應用多年。在這里，可剝可貼的一次性電極可以附著(zhù)在肌肉和疼痛區域周?chē)?，提供輕微、周期性的體表電刺激，可以覆蓋更深的內部疼痛機制，從而緩解癥狀。
醫用可穿戴設備的下一個(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(guò)智能貼片、可穿戴手表、戒指、吊墜和腕帶更準確地按需配藥。植入式傳感器可以與根據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)
有些人可能認為醫學(xué)植入是一種未來(lái)的技術(shù)，但醫療植入式設備實(shí)際上已經(jīng)存在了幾十年。第一臺心臟起搏器是在1958年植入的，從那時(shí)起，這項技術(shù)就在穩步前進(jìn)，發(fā)展出了可以重新啟動(dòng)心臟的除顫器等植入式設備。
與可穿戴傳感器一樣，植入式傳感器的普及程度也在穩步上升?，F代植入式傳感器技術(shù)可以監測血糖水平、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），甚至可以根據需要提供胰島素、宮內避孕藥等藥物。
雖然胰島素泵和心臟起搏器這樣的設備就是通過(guò)手術(shù)植入的，但新技術(shù)可以讓醫療設備能夠通過(guò)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(wú)線(xiàn)通信。一種被稱(chēng)為量子點(diǎn)的技術(shù)甚至可以存儲個(gè)人醫療信息。
這些可注射傳感器的一個(gè)巨大市場(chǎng)是監測義肢設備，以改善功能性肌電控制。隨著(zhù)膝關(guān)節、髖關(guān)節和其他置換關(guān)節的普及，預計電動(dòng)神經(jīng)義肢的使用將增加（圖2）。反饋傳感器可檢測關(guān)節角度、皮膚接觸壓力和組織應變情況。
圖2：植入式傳感器可幫助使用義肢進(jìn)行控制和感覺(jué)反饋。（圖源：Gorodenkoff/stock.adobe.com）
植入物也被用于非醫療應用，例如將射頻識別技術(shù)植入皮下。射頻識別技術(shù)可以完全通過(guò)外部閱讀器提供的射頻能量工作，支持存儲可用于醫療警報的非易失性信息。一些人甚至植入了用于汽車(chē)和房屋開(kāi)鎖的射頻識別設備。通過(guò)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(chēng)為神經(jīng)植入物，直接連接到大腦和其他神經(jīng)細胞（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實(shí)，可用于監測神經(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(lèi)型的醫療植入物中，有一些已經(jīng)幫助無(wú)數人改善了聽(tīng)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(jué)缺陷的人能夠看到并區分顏色。
使用這些植入物可以擴展人類(lèi)感覺(jué)器官的范圍——例如，將視野擴展到紅外和紫外光譜現在已成為可能。聽(tīng)力植入裝置還可以擴大聽(tīng)力范圍，并應用特定的濾波器，讓用戶(hù)能夠聽(tīng)到超出人類(lèi)正常探測范圍的刺激。這也可以通過(guò)穿戴式助聽(tīng)器來(lái)實(shí)現。
近期，更復雜的植入物已經(jīng)展示出使用計算機并通過(guò)腦電波解碼合成文本的能力。這些技術(shù)可以改變生活，因為可以利用思維模式來(lái)控制電動(dòng)化義肢和關(guān)節。
隨著(zhù)可學(xué)習復雜的大腦放電模式的植入式人工智能處理器的出現，通過(guò)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(jué)神經(jīng)信息（如冷熱感覺(jué)、觸覺(jué)）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)化處理器內核和外設
盡管空間有限，但外部可穿戴技術(shù)可以根據設計工程師的偏好，整合各種各樣的處理器。在眾多功能強大的多核處理器可用的情況下，選擇處理器內核與外設的優(yōu)秀組合，對于將理想的處理器與合適的可穿戴設備相匹配至關(guān)重要。
嵌入式應用安全連接解決方案的知名廠(chǎng)商NXP Semiconductors提供的i.MX RT500交叉微控制器可以滿(mǎn)足這種要求。這些微控制器融合了處理器內核和專(zhuān)為可穿戴設計量身定制的外設接口，為各種應用提供全面的解決方案。
圖1：i.MX RT500交叉微控制器
（圖源：貿澤電子）
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(wú)縫對接。芯片上的LCD接口允許快速定制可穿戴設備，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系列還采用了強大的200MHz Arm? Cortex?-M33處理器內核，旨在提供實(shí)時(shí)響應。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(fǎng)問(wèn)，同時(shí)盡可能減少數據移動(dòng)的延遲時(shí)間。
此外，工作頻率為200MHz的Cadence Tensilica Fusion F1 DSP內核可以管理來(lái)自各種外部傳感器的信號處理數據。這些傳感器可檢測化學(xué)水平，如糖或激素濃度，或監測神經(jīng)活動(dòng)以傳遞感覺(jué)或緩解疼痛。
為了實(shí)現直接肌肉刺激和電脈沖等功能，需要多種接口來(lái)促進(jìn)與傳感器和執行器的通信。這些接口使機械義肢能夠與肌肉互動(dòng)，恢復控制力和靈活性。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(wú)線(xiàn)通信模塊。這種適應性使可穿戴設備能夠隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)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、密碼和數學(xué)加速器，用于實(shí)現復雜的動(dòng)態(tài)安全算法。確保醫療數據和身體接口的安全，對于防止對心臟起搏器等設備的未經(jīng)授權訪(fǎng)問(wèn)至關(guān)重要。高級安全支持可實(shí)現與外部電話(huà)或網(wǎng)絡(luò )之間的安全通信，包括非對稱(chēng)加密、AES 256和SHA2-256（ECC和RSA）。此外，該器件還集成了安全引導和基于物理不可克隆功能（PUF）的密鑰存儲。先進(jìn)的能源管理可極大限度地減少能源消耗，可熔鏈路可保護根密鑰存儲。
結語(yǔ)
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療監測和管理技術(shù)。這些創(chuàng )新不僅挽救和延長(cháng)了生命，而且還提高了生活質(zhì)量，使護理人員和醫療從業(yè)人員能夠以更低的成本護理更多的人。
集成電路的體積減小和功率更低的半導體技術(shù)使得人們能夠穿戴和植入更復雜、更安全的技術(shù)。雖然本文沒(méi)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(guò)也存在一些挑戰，例如在洗滌和干燥后保持功能穩定。
NXP i.MX RT500交叉微控制器是下一代可穿戴設備的理想處理器。它有成熟的開(kāi)發(fā)環(huán)境可供使用，還有一些應用說(shuō)明可以指導人們了解AES加密、DSP示例和用法、電源管理以及實(shí)現安全I/O。
展望未來(lái)，我們將看到更多的可穿戴和可注射設備。智能貼片將簡(jiǎn)化自動(dòng)給藥，特別是結合植入的傳感器使用時(shí)。利用RFID進(jìn)行身份識別和驗證可能有助于遏制身份盜竊。我們探討了可穿戴設備的諸多醫用益處，但一旦我們成為機器的一部分，則有無(wú)限可能。
原創(chuàng )：Jon Gabay 來(lái)源：貿澤電子
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