可穿戴技術的新時代

從歷史上看，這項技術常常用于保護個人、增強感官能力以及彌補局限性。不過，現(xiàn)代可穿戴設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層出不窮。然而，可穿戴技術的下一階段將超越基本的醫(yī)療監(jiān)測，而是支持人工增強功能。

讓我們從早期的可穿戴設備開始探索可穿戴技術。

早期的可穿戴設備

雖然今天的許多可穿戴設備通過手表、戒指、吊墜、腕帶和植入物等形式來追求時尚和舒適，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，而不是在沒有保護的情況下戰(zhàn)死。甚至眼鏡也曾是某些時代的可穿戴設備，因為它提高了學習以及為社會做貢獻的能力。

盔甲和眼鏡被認為是被動的可穿戴技術，與此同時機械化的可穿戴設備也推動了社會的進步。機械化可穿戴技術在16世紀早期隨著懷表的誕生而興起，為工業(yè)應用和普通人提供了方便和準確的時間計量方法——這種方法對調(diào)度和制造非常重要（現(xiàn)在仍然如此）。通過這項新技術，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?，F(xiàn)代技術建立在這些進步的基礎上，并將可穿戴技術提升到了新的水平。

我們來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備帶來的優(yōu)勢。

許多現(xiàn)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)的機械腕表也被設計成有現(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。隨著技術的進步，可穿戴設備將顯著影響我們與機器的互動方式。但對大多數(shù)人來說，健康仍然是一大驅(qū)動因素。

健康與健身監(jiān)測

加速度計技術的進步主要推動了健康和健身監(jiān)測設備的使用。加速度計使計步器能夠跟蹤步數(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狀況，但它不能準確地反映運動的強度和消耗的卡路里。計步器可以計算步數(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技術相結合，會有助于解決這一精度問題，但目前的GPS技術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。健身追蹤器通常沒有顯示屏，但可以計算步數(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、壓力和運動水平）。

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有用應用是測量某人何時以及是否跌倒。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，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備之間建立的無線通信，就可以在檢測到摔倒時向緊急聯(lián)系人發(fā)出警報。這項技術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)護人員確保他們在大樓內(nèi)走動時的安全。

更先進的醫(yī)療設備也可以幫助挽救和延長生命。雖然相比那些20美元到100美元的可穿戴設備而言，可穿戴醫(yī)用設備的價格更高，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、遠程醫(yī)生，乃至基于云的服務，這些設備可以定期甚至實時上傳數(shù)據(jù)，以便在發(fā)生任何事件時提醒監(jiān)測人員注意。

另一項廣泛應用的可穿戴醫(yī)用技術是貼片。雖然在大多數(shù)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皮膚監(jiān)測生理狀況的主動電子設備，以控制藥物的引入。同樣，可穿戴電刺激技術也已應用多年。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)部疼痛機制，從而緩解癥狀。

醫(yī)用可穿戴設備的下一個大趨勢可能是植入式傳感器。借助嵌入式技術，可以通過智能貼片、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(jù)指令精確給藥的主動貼片進行通信。

硬膜下和植入式可穿戴技術

有些人可能認為醫(yī)學植入是一種未來的技術，但醫(yī)療植入式設備實際上已經(jīng)存在了幾十年。第一臺心臟起搏器是在1958年植入的，從那時起，這項技術就在穩(wěn)步前進，發(fā)展出了可以重新啟動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(wěn)步上升?，F(xiàn)代植入式傳感器技術可以監(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備就是通過手術植入的，但新技術可以讓醫(yī)療設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行無線通信。一種被稱為量子點的技術甚至可以存儲個人醫(yī)療信息。

這些可注射傳感器的一個巨大市場是監(jiān)測義肢設備，以改善功能性肌電控制。隨著膝關節(jié)、髖關節(jié)和其他置換關節(jié)的普及，預計電動神經(jīng)義肢的使用將增加（圖2）。反饋傳感器可檢測關節(jié)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)療應用，例如將射頻識別技術植入皮下。射頻識別技術可以完全通過外部閱讀器提供的射頻能量工作，支持存儲可用于醫(yī)療警報的非易失性信息。一些人甚至植入了用于汽車和房屋開鎖的射頻識別設備。通過硬膜下RFID技術，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，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展人類感覺器官的范圍——例如，將視野擴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大聽力范圍，并應用特定的濾波器，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現(xiàn)。

近期，更復雜的植入物已經(jīng)展示出使用計算機并通過腦電波解碼合成文本的能力。這些技術可以改變生活，因為可以利用思維模式來控制電動化義肢和關節(jié)。

隨著可學習復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。

為先進的可穿戴技術優(yōu)化處理器內(nèi)核和外設

盡管空間有限，但外部可穿戴技術可以根據(jù)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(nèi)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重要。

嵌入式應用安全連接解決方案的知名廠商NXP 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)核和專為可穿戴設計量身定制的外設接口，為各種應用提供全面的解決方案。

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備，以利用TFT、OLED、微型LED，甚至是新興的量子點顯示技術。

i.MX RT500系列還采用了強大的200MHz Arm Cortex-M33處理器內(nèi)核，旨在提供實時響應。該特性適用于5MB片上零等待狀態(tài)SRAM，確保關鍵代碼隨時可訪問，同時盡可能減少數(shù)據(jù)移動的延遲時間。

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水平，如糖或激素濃度，或監(jiān)測神經(jīng)活動以傳遞感覺或緩解疼痛。

為了實現(xiàn)直接肌肉刺激和電脈沖等功能，需要多種接口來促進與傳感器和執(zhí)行器的通信。這些接口使機械義肢能夠與肌肉互動，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線通信模塊。這種適應性使可穿戴設備能夠隨著無線協(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閃存接口、密碼和數(shù)學加速器，用于實現(xiàn)復雜的動態(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備的未經(jīng)授權訪問至關重要。高級安全支持可實現(xiàn)與外部電話或網(wǎng)絡之間的安全通信，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和基于物理不可克隆功能（PUF）的密鑰存儲。先進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

在不到60年的時間里，我們已經(jīng)從廣泛的外科植入技術發(fā)展到硬膜下和注射醫(yī)療監(jiān)測和管理技術。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，使護理人員和醫(yī)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使得人們能夠穿戴和植入更復雜、更安全的技術。雖然本文沒有討論作為可穿戴技術的服裝，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，還有一些應用說明可以指導人們了解AES加密、DSP示例和用法、電源管理以及實現(xiàn)安全I/O。

展望未來，我們將看到更多的可穿戴和可注射設備。智能貼片將簡化自動給藥，特別是結合植入的傳感器使用時。利用RFID進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(yī)用益處，但一旦我們成為機器的一部分，則有無限可能。