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可穿戴设备的创新要素——传感器
2013-10-08 17:01:16   来源:微迷   评论:0   点击:

回顾信息技术发展历程,人类经历了计算时代、通讯时代,当前正步入“感知时代”,以智能手机、可穿戴设备为代表的智能终端促使传感器需求呈现爆发式增长。根据市场研究机构IMS预测,2011-2016年可穿戴设备市场复合年增长率为53 7%,到2016年市场规模将超过60亿美元。

中国微纳技术俱乐部 王懿

2013年是可穿戴设备元年,谷歌、三星、苹果、微软等科技界的佼佼者都有计划或已推出可穿戴设备。“互联网女皇”玛丽•米克尔也在《互联网报告2013版》中强调了可穿戴设备的增长潜力,认为这是下一个热门领域。目前上市的可穿戴设备五花八门,从智能眼镜到智能手表,从智能服装到智能鞋子,从高尔夫手套到拳击手套,但都和传感器技术有着千丝万缕的联系。回顾信息技术发展历程,人类经历了计算时代、通讯时代,当前正步入“感知时代”,以智能手机、可穿戴设备为代表的智能终端促使传感器需求呈现爆发式增长。为此,中国微纳技术俱乐部会长王懿在国内知名券商研究机构——国信电子召开的“可穿戴设备”主题投资论坛上发表《可穿戴设备与MEMS》演讲,同时撰写本文以飨可穿戴设备和传感器业者。

各种形式的可穿戴设备

图1 各种形式的可穿戴设备

相比智能手机,可穿戴设备优势是真正的24小时“贴身秘书”。智能手机的普及带来一大批手机控,但是不管你多爱自己的手机,也不可能在晚上抱着它睡觉,但是智能腕带或手环却可以。抱着睡觉虽不能算是优势,但是全天候的携带性却可以给我们带来很多有价值的应用,比如对病人进行持续的医疗监控、通过皮肤震动进行无声的睡眠唤醒等。并且24小时紧贴人体的特性也使得可穿戴设备更不容易被盗或丢失。

根据市场研究机构IMS预测,2011-2016年可穿戴设备市场复合年增长率为53.7%,到2016年市场规模将超过60亿美元,出货量超过1.71亿件。可穿戴设备的主要应用领域包括:以血糖、血压和心率监测为代表的医疗领域,以运动监测为代表的保健领域,以信息娱乐为代表的消费领域,以数据采集和显示为代表的工业和军事领域。IMS研究指出,保健和医疗领域的可穿戴设备占据今年60%市场份额,未来的份额可能会进一步提升。

可穿戴设备中的传感器分类

(1)运动传感器:加速度计、陀螺仪、磁力计、压力传感器(通过测量大气压力来计算海拔高度)

主要功能:运动监测、导航、娱乐、人机交互

国内传感器公司:美新半导体、明皜传感、矽睿科技、深迪半导体、士兰微电子、敏芯微电子等

典型设备:Nike+ FuelBand、Jawbone Up、Fitbit Flex、咕咚手环、Pebble、Geak Watch、InWatch、Galaxy Gear

生命在于运动,运动是生命中不可或缺的重要组成部分。因此,通过运动传感器随时随地测量、记录和分析人体的活动情况具有重大价值:用户可以知道跑步步数、游泳圈数、骑车距离、能量消耗和睡眠时间等。图2为基于运动传感器的可穿戴设备发展历程,从简单的计步器到复杂的智能手表,传感器用量“与日俱增”,运动监测“精益求精”。

基于运动传感器的可穿戴设备发展历程

图2 基于运动传感器的可穿戴设备发展历程

(2)生物传感器:血糖传感器、血压传感器、心电传感器、肌电传感器、体温传感器、脑电波传感器等

功能:健康和医疗监控、娱乐

国内传感器公司:神念科技、敏芯微电子、芯敏微系统、纳芯微电子等

典型设备:CardioNet MCOT™、康康血压、中卫莱康-腕式心电监测仪、iHolter(心安宝)、秘密意念猫耳朵

健康预警、病情监控——借助可穿戴技术,医生可以提高诊断水平,家人也可以与患者进行更好的沟通。以康康血压为代表的可穿戴医疗设备,与专业医疗机构合作,长期对数以千万的用户身体数据进行追踪和监测,分析提炼出医学诊断模型,预测和塑造用户的健康发展状况,为用户提供个体化心血管专项贴身医疗及健康管理方案,同时也帮助家人关怀亲人的健康状况。

康康血压——有温度的智能血压计

图3 康康血压——有温度的智能血压计

此外,以秘密意念猫耳朵为代表的可穿戴设备,通过脑电、心电等传感器感知人类情绪变化从而实现娱乐互动。例如,在电视相亲活动中,当女嘉宾看到中意的对象,大脑处于高度感兴趣的状态时,猫耳朵就会高高竖起并来回转动,表达爱慕之情。

秘密意念猫耳朵——读懂女孩的心思

图4 秘密意念猫耳朵——读懂女孩的心思

(3)环境传感器:温湿度传感器、气体传感器、pH传感器、紫外线传感器、环境光传感器、颗粒物传感器、气压传感器、麦克风等

功能:环境监测、天气预报、健康提醒

国内传感器公司:康森斯克电子、炜盛电子、艾谱科微电子、芯晨科技、敏芯微电子、芯奥微传感等

典型设备:PM2.5便携式检测仪、AirWaves口罩、便携式个人综合环境监测终端

环境监控,守护健康。马斯洛理论将人的需求分为五种,像阶梯一样从低到高,按层次逐级递升,分别为:生理上的需要、安全上的需要、感情上的需要、尊重的需要和自我实现的需要。现在生理上的需要一般都可以满足,接下来就是安全上的需要,也就是保证身心健康不受威胁的需要。事实上,人们经常会处于一些对健康有威胁的环境中,比如空气/水污染、噪音/光污染、电磁辐射、极端气候等。更可怕的是,很多时候我们处身于这样的环境中却浑然不知,如PM2.5污染,从而引发各种慢性疾病。借此市场机遇,初创公司羽承科技利用颗粒物传感器推出了目前市场上最小、最轻便的空气质量检测装置——PM2.5便携式检测仪。该检测仪可佩戴在人体上,既可单独显示,也可结合手机使用并分享给好友。

 PM2.5便携式检测仪

图5 PM2.5便携式检测仪

健康 = 基因 + 生活习惯 + 环境

可穿戴设备在中国健康医疗领域的需求基础:(1)中国不断加剧的老龄化趋势(如图6所示),独居老人增多,人力成本上升是可穿戴医疗设备增长的基础。(2)慢性病年轻化,患病时间长,需求大。(3)中国医疗资源严重不足,医生与患者比例失调,通过可穿戴设备进行个性化健康管理,减少就医次数。图7和图8为中国男性和女的主要健康问题,数据来源于《第二届中国城市健康状况大调查》。

老年人增长及老年人占总人口比重

图6 老年人增长及老年人占总人口比重

男性健康主要问题构成

图7 男性健康主要问题构成

女性主要健康问题构成

图8 女性主要健康问题构成

人类的健康主要有三个影响因素:基因、生活习惯和环境,即公式:“健康 = 基因 + 生活习惯 + 环境”。通常基因是“命中注定”,无法改变的,即常量;而健康、生活习惯是可以改变的,环境也是可以“逃避”的,均为变量。针对可“变”的健康、生活习惯和环境,可穿戴设备可分别通过生物传感器、运动传感器和环境传感器来监测和提醒用户,以改善人体健康和提高生活质量,并且大量的用户临床数据存在巨大的商业价值和社会价值。

然而,现在市场上的可穿戴设备往往仅采用一类传感器实现一种变量监测功能,难以实现全面、有效的健康反馈体系。所以,多种传感器的融合创新应用深受市场期待。例如:生物传感器“监测”到人体血压、血脂过高时,警告用户应改变不良生活习惯,加强体育锻炼;然后,运动传感器负责“监督”人体每天的锻炼情况,环境传感器负责“监控”人体周围环境状况(如有无吸烟和环境污染);最终,通过三类传感器的有效配合很好地控制了心血管疾病。合理的慢性疾病管理,能够避免看急诊和住院治疗,减少就医次数,节约费用和人力成本。在全球范围内针对移动医疗服务效果的临床研究显示,出院后的远程监护可将病人的医疗费用降低、看医生的间隔时间延长、住院时间降低等,如表1所示。

通过可穿戴设备实现个性化医疗

图9 通过可穿戴设备实现个性化医疗

表1 全球范围内针对移动医疗服务效果的临床研究

研究疾病 研究地区 研究主题 研究结果:成本降低
糖尿病 美国 出院后的远程监护 每个病人的全部医疗费用可能降低 42%
高血压 美国 通过无线远程设备将主要生命体征信息传送到电子病历中 看医生的间隔时间延长了 71%
心力衰竭 欧盟 远程监护接受心脏起搏器植入手术的病人 降低住院时间35%;降低出院后看医生次数10%

现在,如果在大街上看到有人戴着Google Glass或Pebble智能手表,人们都会多看一眼,以为这是新鲜玩意儿。但是在科研领域,研究者们早已开始准备开发下一代可穿戴设备,其中令我们感到惊讶的有“电子皮肤、智能隐形眼镜、pH胶囊”。

另类的可穿戴设备

电子皮肤。传感器嵌入薄膜(厚度小于人体头发直径),然后放置在聚酯衬垫(类似纹身贴纸)中,主要用于监控患者体温、心率、人体脑电波和肌肉活动等生命特征。除此之外,还能释放热量帮助伤口愈合。

电子皮肤

图10 电子皮肤

智能隐形眼镜。第一种功能:通过压力传感器监测青光眼患者的眼压和眼睛曲率,针对个人量身订制的最佳治疗方案。第二种功能:可以显示全息图像和各种立体影像,甚至可以取代电脑屏幕。

智能隐形眼镜

图11 智能隐形眼镜

pH胶囊。该胶囊是集MEMS技术、pH传感器、无线射频技术、集成电路和封装技术为一体的高科技医疗产品。穿戴部位为人类消化系统,主要用于胃食道反流性疾病(GERD)的前期诊断和后期治疗评价。

pH胶囊

图12 pH胶囊

享用可穿戴设备的仅仅是人吗?不,当然还可以是动物。人们利用可穿戴设备中传感器可以更清晰地了解动物的意图,使人与动物交流更方便。例如,宠物狗对着脖子上的传感器吼几声,主人的Google Glass就会显示宠物想吃食物的信息。

动物的可穿戴设备

狗——犬步计。犬步计可以监测狗的运动量,进行健康管理。如果计步数量多,说明狗的心情好;如果计步数量少,预示狗可能生病了。有些犬步计甚至集成定位功能,可以帮助主人找到丢失的宠物。

犬步计

图13 犬步计

乳牛——MooMonitor颈圈。该颈圈利用加速度计监控乳牛活动情况,将乳牛的排卵时间及时通知农场主以便交配。另外,该颈圈还通过RFID标签追踪乳牛的位置,并控制自动门让牛群进出牧场与挤奶厂。

MooMonitor颈圈

图14 MooMonitor颈圈

鸡——禽流感监测仪。该监测仪集成动作传感器(加速度计)、热敏电阻(温度传感器)和无线发射模块,可安装在鸡的尾部,根据其体温和活动量状况判断是否患上禽流感,但是成本过高导致市场推广有难度。

禽流感监测仪

图15 禽流感监测仪

可穿戴设备,始于传感器,归于数据服务

可穿戴设备不仅仅是“冷冰冰”的硬件,也不局限于软硬件综合体,更是一个服务平台概念。硬件的价值不再由硬件成本本身来决定,而是由每天产生的数据量、数据流动性以及通过数据分析得出的价值来决定。硬件只扮演的一个数据采集工具的角色,我们可以把它当作一个数据源。成功的可穿戴设备是由硬件+数据传输+数据分析+数据反馈形成的全方位服务平台,从整个平台来讲,它的价值与数据量成正比关系。

未来,可穿戴式设备一定无法和大数据脱离,单纯的硬件设备和建立在设备上的模式化数据分析既没有解决问题,又徒然增加了成本。用户不再一味看重可穿戴设备的计算能力,更加重视设备外观、轻薄程度和数据采集对正常生活的无妨碍性,因为这些决定了数据采集密度和数据量。

只有足够的数据量,才能让设备体现出价值。而对于可穿戴设备厂商来说,要从根本抛弃硬件时代的盈利模式。硬件销售将不再是盈利的唯一来源,如何让用户认可服务、持续提供数据,并根据用户数据给出个性化建议,吸引用户持续付费才是盈利的源泉!

在新的模式里,硬件和服务都要具备快速迭代的能力,硬件将更舒适、更方便、更小型化,同时集成更多的传感器,数据来源将越来越丰富,而数据分析服务将利用更多种类的数据来融合分析,无需用户干预而通过数据智能化学习就能把人一天重要的生理指标、活动状况、环境变化等信息量化并描绘出来。用户把数据进行横向(他人的地点轴)和纵向(自身的时间轴)对比,优化符合自己生理特点的生活规律,寻找自己最佳的健康状态,当然平台也会提供个性化建议。当用户接受并依赖它时,持续为服务付费将变得“心甘情愿”。

总结

可穿戴设备是一种可以安装在人、动物和物品上,并能感知、传递和处理信息的计算设备,通常包含五大功能模块:大脑(处理器和存储器)、心脏(电源)、神经系统(无线通信)、感觉器官(传感器)、运动器官(执行器,如微投影、微泵)。其中,传感器是可穿戴设备的创新要素,是人/物与世界沟通的“芯”工具,开启了“感知时代”的大门;而数据服务是可穿戴设备的成功要素,是用户付费、产品盈利的源泉,决定了“穿戴理念”的价值。

基于传感器的可穿戴设备成为人类感官的延伸,增强了人类“第六感”功能。随着生物科技的发展,可穿戴设备也许会进化成植入人体的智能设备。不过在当下,可穿戴设备浪潮刚刚来袭,让我们一起张开双臂,热情拥抱个人计算设备的又一次革命吧。

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