傳感器 智能穿戴追蹤設備的“天花板”

　　我們都知道，智能穿戴設備的運動監測功能主要通過重力加速傳感器實現。重力傳感器已是一種很成熟的技術，手機也早有應用。傳感器通過判斷人運動的動作得到一些基礎數據，再結合用戶之前輸入的個人身體體征的基本信息，根據一些特定算法，得到針對個人的個性化監測數據，諸如運動步數、距離以及消耗的卡路里等，從而判斷運動的頻率和強度。

　　睡眠監測也通過相同的傳感器技術實現。人在不同的睡眠階段，腦電波會發生迅速改變，有意思的是，重力加速傳感器并不具備直接探測腦電波的功能，所以它是將人在睡眠中動作的幅度和頻率作為衡量睡眠的標準，來判斷睡眠處于哪個階段，蘋果 Apple Watch 的鬧鐘功能，正是依據這個判斷用戶處在“快速動眼期”將用戶喚醒。

　　但現有產品的重力傳感器最大程度也只能到這里了，由于傳感器的傳感速度限制了識別度，它們無法識別出更多，比如用戶做出了什么手勢，是手心向上還是手背向上。

　　另一方面，在心率監測上，Apple Watch（包括 Gear Fit、Fitbit Surge、Microsoft Band 等手環）采用的是光電式心率計，它的原理非常簡單——通過Apple Watch背面配備的綠色LED燈，搭配感光光電二極管照射血管一段時間，由于血液是紅色的，它可以反射紅光而吸收綠光，而在心臟跳動時，血液流量增多，綠光的吸收量會隨之變大，處于心臟跳動的間隙時血流會減少，吸收的綠光也會隨之降低，基于此，就可以根據血液的吸光度來測量心率。

　　光電式傳感器的工作原理要求設備需要緊貼手腕，并且毛發不能過于旺盛、不能出汗、也不能在運動時測量。這也就是為何蘋果會建議用戶在進行心率監測時讓手表貼緊皮膚的原因，此外，蘋果在介紹中也表示在天冷的情況下，用戶手腕部位的血流量可能不足以監測到心率，而且用戶在進行節率性運動（如跑步和騎行）時，心率測量的準確性會比無規則運動（如打網球）更加的準確。這些亦都是光電式心率監測的局限性所在。

　　由于當血液經過毛細血管流入手腕時，血液流動速度實際上已經減緩了，因此最終的結果也不一定能夠真實反映心率——也就是說，使用 Apple Watch 監測出的心率數據，最后可能還不如一些手機準確，特別是在手握機器的情況下，由于人的食指指尖有一個動脈血管，而后者能夠和心臟基本保持一樣的頻率。

　　讓感應更精細 未來的人體追蹤識別

　　怎樣才能讓穿戴設備的數據變得準確，這是無數智能穿戴產品想要解決的問題。

　　就目前來說，最切實的解決方法莫過于兩種，一種是增加更多傳感器，另一種是研發出更優秀的傳感器和更先進的算法，對于前者的選擇，雖然傳感器越多，就能帶來更全面的監測效果，但是也會造成設備體積和續航時間的困擾。由于技術原因，傳感器的發展還有一段路程要走，非植入式電化學和生物傳感器則是主要的演變方向。不過走在前頭的研發團隊已經找到了優化傳感器的著手點——給傳感器增壓。

　　今年 10 月份，威鋒網報道過卡內基梅隆大學的研究人員開發出一套名為 ViBand 的系統，讓現有的智能手表可以識別用戶手勢，并識別出用戶手上所拿的物體的新聞。

　　Viband 系統的作用，就是給普通智能手表的加速度計傳感器進行增壓——說得通俗一點，就是給傳感器“打雞血”，使其能夠感應到令人難以置信的振動頻率的微小變化。它能夠感知的，不僅是發動機運行時的嗡嗡聲，還可以檢測吉他調音，或者是用戶以不同的方式移動手臂時所引起的明顯的輕微差異。

　　據介紹，Viband 系統的秘訣在于加速度計感應器自身的規格。通常來講，手表內的加速儀被設定在每一秒鐘進行 20 到 100 次采樣，以滿足手表對運動軌跡的測量需求。研究人員通過使用一個軟件更新，把檢測頻率提升至每秒 4000 次，將加速計作為一個振動麥克風來使用。也就是說，它還可以監測用戶身體所發出的生物聲學信號。

　　這樣，當任何動作發生的細微頻率通過人體進行傳播時，所有的一切都能夠產生出獨特的高頻振動模式，即一種可以立即用于識別的聲波特征。而每一種手勢或行為在經過 ViBand 系統的處理后，都能夠用于執行某種特定的任務。

　　這聽起來非常神奇，通過這項技術，智能手表將能夠區分用戶大量的細節動作，包括抓、撓、敲擊、滑動等，這些動作可以進一步用來操作手表，進行滑動菜單和選擇手表菜單選項，甚至是控制燈具或電視機等家用電器。

　　厲害的是通過增壓后的傳感器，只要用戶手上拿了些東西，你的手表就可以通過聲信號來識別你拿的是什么東西；此外，還可以檢測到用戶所處的環境，比如是在車里，還是在廚房……這個團隊還做了一種識別標簽，貼在門上、墻壁上或者別的物品上，以配合提升識別并提供智能操控。

　　ViBand 系統兼容性非常高，可以用于蘋果、三星和任何智能穿戴設備上。不過我們不清楚增壓技術對傳感器有沒有損害，對設備會不會更加耗電，顯然研發團隊還將沿著這個方向進行下去，在東京舉辦計算機協會的用戶界面軟件和技術研討會上，該團隊的此項研發獲得了“四佳論文”之一。

　　讓檢測更精確 未來的人體健康監控

　　對智能穿戴健康監測方面的研究更講求醫學價值，這一點蘋果、微軟這樣的大公司以及 Fitbit 這樣的智能健康品牌也在做，Fitbit Charge HR 和微軟Microsoft Band 等智能手環能夠一整天持續追蹤用戶心率，提供極具價值的數據。但鑒于當前的技術，這些設備也只能做到這兒了。

　　2013 年底，蘋果從主要開發無創式血糖監測設備的加州公司 C8 Medisensors 招募了多名工程師和科學家，為的就是解決 Apple Watch 整合血糖監測功能。科技新聞網站《Network World》作者 Yoni Heisler 曾撰文解釋鍋蘋果為何無法將血糖監測技術整合到 Apple Watch 智能手表中。簡而言之，是因為這項技術過于復雜和龐大，尤其是對攝像頭的要求十分苛刻，無法融入智能手表中。

　　目前，C8 Medisensors 仍在為解決“噪音”問題而苦苦求索。而斯坦福大學下屬孵化器 Start X 走出的小型公司 Echo Labs 取得了初步成果。他們研發出一款智能手環原型，可檢測血液中的氧氣、二氧化碳、PH值、碳水化合物和血壓等數據。Echo Labs 通過光傳感和一種專屬算法來測量血液成分。傳感器通過發射電磁波穿透人體組織，然后測量不同光頻率的反射情況，以檢測血液中分子的濃度。

　　據項目創始人介紹稱，“任何分子都會對某一頻率的光產生反應。如果我們知道頻率是多少，就可以檢測出分子的情況。但分子的濃度越低，被捕捉到的難度就越大。氧分子和二氧化碳分子性質不同，因此可反射出不同的頻率。每一種分子都擁有一個光簽名 。”

　　利用光和激光來解決人體內部諸如血液等重要指標，是眾多研發團隊致力的方向，Echo Labs 目前取得的成果將給現有研究帶來突破。

　　如果未來諸如 ViBand 和 Echo Labs 這樣的技術能夠得到更好的整合，那么智能手表無疑在智能追蹤也好，健康數據監測也好，都得到極大的進化。

　　智能穿戴設備真正的作用我們等待回答

　　正如我們在以前的文章中多次討論過，Apple Watch 等智能穿戴設備未來將如何發展，這恐怕是蘋果都無法回答的問題。

　　在只能配備一個大約 1 英寸的迷你屏幕的前提下，既要保證佩戴舒適，又要完成功能上的進化，突破原有的屏幕交互界面，擴大至更多手勢、增強檢測能力（包括外部物體和人體內部）是關鍵。這遠遠比給智能手表加入一大堆 App 要有意義，但也更有難度。

　　也許再過不久，當這些新技術成熟應用之后，我們將不用困惑“智能手表和智能手環到底有什么用”的問題。