可穿戴技术的新时代
【导读】谈及可穿戴技术时，人们首先能想到的就是类似手表的小玩意。然而，还有许多其他技术工具满足可穿戴设备的标准。
从历史上看，这项技术常常用于保护个人、增强感官能力以及弥补局限性。不过，现代可穿戴设备正在拓宽人类在改善、健康和健身方面的视野。目前，专注于健康管理和数据可及性的可穿戴技术层出不穷。然而，可穿戴技术的下一阶段将超越基本的医疗监测，而是支持人工增强功能。
让我们从早期的可穿戴设备开始探索可穿戴技术。
早期的可穿戴设备
虽然今天的许多可穿戴设备通过手表、戒指、吊坠、腕带和植入物等形式来追求时尚和舒适，但早期的产品并没有将舒适和便利作为主要考量。几千年前，士兵的头盔被认为是一种高科技设备，因为它可以让士兵在遭遇头部撞击后幸存下来，而不是在没有保护的情况下战死。甚至眼镜也曾是某些时代的可穿戴设备，因为它提高了学习以及为社会做贡献的能力。
盔甲和眼镜被认为是被动的可穿戴技术，与此同时机械化的可穿戴设备也推动了社会的进步。机械化可穿戴技术在16世纪早期随着怀表的诞生而兴起，为工业应用和普通人提供了方便和准确的时间计量方法——这种方法对调度和制造非常重要（现在仍然如此）。通过这项新技术，从冶炼金属到面包烘焙等各种工艺都可以做得更精确。腕表的问世为更多人带来了这样的便利。现代技术建立在这些进步的基础上，并将可穿戴技术提升到了新的水平。
我们来看看当今的可穿戴设备达到了怎样的水平。
当今的可穿戴设备
与静态装甲或机械化技术的例子不同，当今的可穿戴设备都是电子设备。由于诸如微处理器、显示器和传感器等器件的低成本大批量制造，越来越多的人现在能够以相对较低的成本，更加容易地享受这些设备带来的优势。
许多现代可穿戴设备用于健康和健身，还有些设备提供了信息技术和通信的无缝接入。这两种用途都得到了积极的推广，曾经的机械腕表也被设计成有现代化的显示屏和触摸屏，从而变得更美观。
知名电子制造商制造的手表可提供易于阅读和定制的时间与日期显示、日历提醒、消息提醒以及音频和视频等功能，这样的手表正日渐流行。随着技术的进步，可穿戴设备将显著影响我们与机器的互动方式。但对大多数人来说，健康仍然是一大驱动因素。
健康与健身监测
加速度计技术的进步主要推动了健康和健身监测设备的使用。加速度计使计步器能够跟踪步数；手表、手环、吊坠、戒指和我们今天所能想到的各种其他可穿戴器件都可以植入计步功能。
尽管传统的戒指并不具有手表和手环那样的功能性，但无线通信可以赋予它们监测血流灌注指数（血液循环良好程度）、心率变异性、睡眠时间与水平、血氧水平甚至压力水平（图1）等功能。集成加速度计后，这些设备也可用作计步器。
图1：虽然可穿戴技术的主力军是手表和手环，但戒指也越来越受欢迎，特别是在新型显示技术使其信息更容易获取的情况下。（图源：P.S/stock.adobe.com）
虽然计步器能够很好地指示运动状况，但它不能准确地反映运动的强度和消耗的卡路里。计步器可以计算步数，却无法区分是在平地上行走或慢跑，还是在楼梯、山丘和斜坡上行走或慢跑。如果与GPS技术相结合，会有助于解决这一精度问题，但目前的GPS技术还不足以准确可靠地检测海拔高度。
智能手表和健身追踪器是应用非常广泛的可穿戴设备。健身追踪器通常没有显示屏，但可以计算步数、追踪卡路里、记录睡眠模式以及测量心率、血压和皮肤电阻（出汗、压力和运动水平）。
睡眠模式对许多人来说是非常重要的监测功能，尤其是那些患有睡眠呼吸暂停的人。人们终于可以不用借助昂贵而又不便的睡眠研究设施，即可监测和跟踪睡眠模式。睡眠监测对婴儿也很重要，通过可穿戴的手腕设备可以检测到婴儿是否停止呼吸。
基于加速度计的健身追踪器的另一个有用应用是测量某人何时以及是否跌倒。这对老年人和老龄化人口尤其重要。虽然以往的无线按钮可以在摔倒后激活，从而挽救了许多生命，但如果用户失去意识，就无法通过这些按钮发送求救信号。不过，通过手表、吊坠、戒指，甚至口袋里的可穿戴设备之间建立的无线通信，就可以在检测到摔倒时向紧急联系人发出警报。这项技术还有助于助追踪阿尔茨海默症或其他形式的痴呆症患者，帮助医护人员确保他们在大楼内走动时的安全。
更先进的医疗设备也可以帮助挽救和延长生命。虽然相比那些20美元到100美元的可穿戴设备而言，可穿戴医用设备的价格更高，但后者的用途并不限于监测心率以及检测并记录心脏事件。通过无线接入全球网络、远程医生，乃至基于云的服务，这些设备可以定期甚至实时上传数据，以便在发生任何事件时提醒监测人员注意。
另一项广泛应用的可穿戴医用技术是贴片。虽然在大多数情况下，贴片以预先确定的速率释放药物，但许多贴片都嵌入了通过皮肤监测生理状况的主动电子设备，以控制药物的引入。同样，可穿戴电刺激技术也已应用多年。在这里，可剥可贴的一次性电极可以附着在肌肉和疼痛区域周围，提供轻微、周期性的体表电刺激，可以覆盖更深的内部疼痛机制，从而缓解症状。
医用可穿戴设备的下一个大趋势可能是植入式传感器。借助嵌入式技术，可以通过智能贴片、可穿戴手表、戒指、吊坠和腕带更准确地按需配药。植入式传感器可以与根据指令精确给药的主动贴片进行通信。
硬膜下和植入式可穿戴技术
有些人可能认为医学植入是一种未来的技术，但医疗植入式设备实际上已经存在了几十年。第一台心脏起搏器是在1958年植入的，从那时起，这项技术就在稳步前进，发展出了可以重新启动心脏的除颤器等植入式设备。
与可穿戴传感器一样，植入式传感器的普及程度也在稳步上升。现代植入式传感器技术可以监测血糖水平、组织和骨再生、高血压、心律失常、神经刺激（如人工耳蜗和人工晶状体），甚至可以根据需要提供胰岛素、宫内避孕药等药物。
虽然胰岛素泵和心脏起搏器这样的设备就是通过手术植入的，但新技术可以让医疗设备能够通过注射的方式植入。这些可注射的传感器可以在体外进行无线通信。一种被称为量子点的技术甚至可以存储个人医疗信息。
这些可注射传感器的一个巨大市场是监测义肢设备，以改善功能性肌电控制。随着膝关节、髋关节和其他置换关节的普及，预计电动神经义肢的使用将增加（图2）。反馈传感器可检测关节角度、皮肤接触压力和组织应变情况。
图2：植入式传感器可帮助使用义肢进行控制和感觉反馈。（图源：Gorodenkoff/stock.adobe.com）
植入物也被用于非医疗应用，例如将射频识别技术植入皮下。射频识别技术可以完全通过外部阅读器提供的射频能量工作，支持存储可用于医疗警报的非易失性信息。一些人甚至植入了用于汽车和房屋开锁的射频识别设备。通过硬膜下RFID技术，可以将人体本身作为信用卡的载体，从而防范身份盗窃。
借助大脑植入物克服缺陷
大脑植入物，也称为神经植入物，直接连接到大脑和其他神经细胞（图3），可用于缓解帕金森病的症状或刺激交感神经，以帮助控制消化和心率。
图3：大脑植入物已成为现实，可用于监测神经放电、刺激神经，以及直接向大脑提供感官信息。（图源：ktsdesign/stock.adobe.com）
这些类型的医疗植入物中，有一些已经帮助无数人改善了听力和视力。甚至还有植入集成电路技术的成功案例，让那些有色觉缺陷的人能够看到并区分颜色。
使用这些植入物可以扩展人类感觉器官的范围——例如，将视野扩展到红外和紫外光谱现在已成为可能。听力植入装置还可以扩大听力范围，并应用特定的滤波器，让用户能够听到超出人类正常探测范围的刺激。这也可以通过穿戴式助听器来实现。
近期，更复杂的植入物已经展示出使用计算机并通过脑电波解码合成文本的能力。这些技术可以改变生活，因为可以利用思维模式来控制电动化义肢和关节。
随着可学习复杂的大脑放电模式的植入式人工智能处理器的出现，通过思考形状和颜色与义肢和仿生肢体交流成为了可能。有了足够的处理和DSP功能，植入式处理器就可以让感觉神经信息（如冷热感觉、触觉）跨越断裂的神经，顺利传递。
为先进的可穿戴技术优化处理器内核和外设
尽管空间有限，但外部可穿戴技术可以根据设计工程师的偏好，整合各种各样的处理器。在众多功能强大的多核处理器可用的情况下，选择处理器内核与外设的优秀组合，对于将理想的处理器与合适的可穿戴设备相匹配至关重要。
嵌入式应用安全连接解决方案的知名厂商NXP Semiconductors提供的i.MX RT500交叉微控制器可以满足这种要求。这些微控制器融合了处理器内核和专为可穿戴设计量身定制的外设接口，为各种应用提供全面的解决方案。
图1：i.MX RT500交叉微控制器
（图源：贸泽电子）
i.MX RT500交叉微控制器配备了2D图形引擎GPU，该GPU使用高速并行接口实现矢量图形加速。该芯片还集成了MIPI串行显示接口（MIPI DSI?），可与串行显示模块无缝对接。芯片上的LCD接口允许快速定制可穿戴设备，以利用TFT、OLED、微型LED，甚至是新兴的量子点显示技术。
i.MX RT500系列还采用了强大的200MHz Arm? Cortex?-M33处理器内核，旨在提供实时响应。该特性适用于5MB片上零等待状态SRAM，确保关键代码随时可访问，同时尽可能减少数据移动的延迟时间。
此外，工作频率为200MHz的Cadence Tensilica Fusion F1 DSP内核可以管理来自各种外部传感器的信号处理数据。这些传感器可检测化学水平，如糖或激素浓度，或监测神经活动以传递感觉或缓解疼痛。
为了实现直接肌肉刺激和电脉冲等功能，需要多种接口来促进与传感器和执行器的通信。这些接口使机械义肢能够与肌肉互动，恢复控制力和灵活性。i.MX RT500交叉微控制器包括高速USB 2.0、SPI、I2C、UART和I2S接口，可以连接传感器和刺激器以及无线通信模块。这种适应性使可穿戴设备能够随着无线协议的更新换代而发展。
i.MX RT500交叉微控制器还具有多个闪存接口、密码和数学加速器，用于实现复杂的动态安全算法。确保医疗数据和身体接口的安全，对于防止对心脏起搏器等设备的未经授权访问至关重要。高级安全支持可实现与外部电话或网络之间的安全通信，包括非对称加密、AES 256和SHA2-256（ECC和RSA）。此外，该器件还集成了安全引导和基于物理不可克隆功能（PUF）的密钥存储。先进的能源管理可极大限度地减少能源消耗，可熔链路可保护根密钥存储。
结语
在不到60年的时间里，我们已经从广泛的外科植入技术发展到硬膜下和注射医疗监测和管理技术。这些创新不仅挽救和延长了生命，而且还提高了生活质量，使护理人员和医疗从业人员能够以更低的成本护理更多的人。
集成电路的体积减小和功率更低的半导体技术使得人们能够穿戴和植入更复杂、更安全的技术。虽然本文没有讨论作为可穿戴技术的服装，但服装也可以使人们受益，不过也存在一些挑战，例如在洗涤和干燥后保持功能稳定。
NXP i.MX RT500交叉微控制器是下一代可穿戴设备的理想处理器。它有成熟的开发环境可供使用，还有一些应用说明可以指导人们了解AES加密、DSP示例和用法、电源管理以及实现安全I/O。
展望未来，我们将看到更多的可穿戴和可注射设备。智能贴片将简化自动给药，特别是结合植入的传感器使用时。利用RFID进行身份识别和验证可能有助于遏制身份盗窃。我们探讨了可穿戴设备的诸多医用益处，但一旦我们成为机器的一部分，则有无限可能。
原创：Jon Gabay 来源：贸泽电子
免责声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请联系小编进行处理。
推荐阅读：
为什么构建数字孪生系统离不开传感器技术？
利用单片机直接检测车模压过
测试四个光电检测速度
高集成度智能栅极驱动光耦通吃MOSFET和IGBT
不了解不间断电源 (UPS) ？这篇文章带你一览UPS设计要项！
