可穿戴技术的应用前景

李悦霖

可穿戴性是目前最令人兴奋和富有挑战性的领域之一，它正在拥抱智能纺织品和机器人技术等尖端技术。可穿戴设备正在广泛应用于医疗、工业、防务、运动等领域，具有广阔的应用前景。

医疗

虽然医疗诊断和治疗已取得巨大进展，但医疗服务的提供并没有根本改变。患病或严重患病的人会咨询医生，并由受过医学培训的专业人员治疗。但这一切都在迅速变化，我们正朝着医生和病人相互連接的未来迈进。

可穿戴性是这一趋势的核心，患者佩戴的设备越来越多地被用于监测和24h护理。手术和治疗设备也遵循同样的趋势，可穿戴连接设备无处不在。根据全球第二大市场研究咨询公司MarketsandMarkets于2018年1月发布的一项新的市场研究（按设备、治疗、应用、类型、分销渠道分列的可穿戴医疗设备市场），预计可穿戴设备市场将从2017年的62.2亿美元达到2022年的144.1亿美元，年复合增长率为18.3%。然而，令人惊讶的是，可穿戴设备的影响远远超出了普通消费用途（类似活动跟踪和智能手表）的范围，已转向医疗应用，尤其是用于管理慢性病患者。

医疗与消费者应用

医疗可穿戴设备不同于消费市场上的可穿戴设备，虽然它们基于共同的前提，即产品要求舒适、易于使用且不笨重，但它们的功能服务于不同的目的。医疗可穿戴设备至关重要：它们能检测到危及生命的情况、收集生物特征数据帮助患者诊断，甚至可以给药以减轻疼痛。

另一个造成医疗可穿戴设备应用推迟的区别在于，它们需要遵守严格的安全和精度标准。为了得到更广泛的使用，医疗可穿戴设备首先需要克服监管障碍和合规问题，此外在其使用的不同国家还需要协商医疗保险报销问题。医疗可穿戴产品必须获得监管部门的批准，如获得美国食品和药物管理局的批准，并经认证符合ISO或国家标准，其精度和可靠性必须受到严格监控。

目前，正在开发的医疗可穿戴设备能够为患有特殊疾病的用户提供支持，如癫痫、慢性阻塞性肺病、哮喘、心律失常、慢性疼痛和乳腺癌。医疗设备收集的大量数据不仅对消费者管理自身健康很有用，而且对医疗机构改善其医疗设施也很有用。临床医生和其他医疗专业人员对数据进行分析，提供诊断、治疗建议、监测患者依从性或辅助研究。远程病人监控系统还可以节省时间，帮助降低护理成本。此外，雇主和保险公司也会使用个人数据来管理健康和医疗成本。

在设计安全精确的医疗可穿戴设备时。必须对产品中使用的所有组件全盘考虑，任何不合格的部件都可能使整个产品变得不可靠或危险。工程师在设计这些设备的硬件时需要考虑几个关键因素，包括产品生命周期、尺寸、重量、可靠性、抗体液能力、触觉（声音和感觉）。患者不希望携带笨重的附件，尤其是像可穿戴设备这样需要一直随身携带的附件。增加通信功能以支持远程医疗等不断发展的趋势意味着增加潜在的笨重组件，例如天线、发射器和附加电路。这意味着传统组件（例如用户与产品交互的开关）的空间更小了。即便开关现在需要占用的空间比以前少了，但如果要可靠地运行许多年，它们仍然必须满足特定的性能要求。与医疗可穿戴设备中的所有其他组件一样，开关也必须能承受苛刻的环境条件，例如体液和杀菌消毒剂。目前，新型可穿戴电子织物正在医疗领域进行研发和测试。它们可以改善部分疾病的诊断和治疗。有的可以检测多种生物信号，例如心电图（ECG），以测量身体阻抗和皮肤电导。通过心电检测，可以更早地诊断心脏病，从而预防猝死。

工业可穿戴设备

工业可穿戴设备（例如智能眼镜和手套，头戴式显示器，摄像头，音频设备，嵌入衣服的传感器）正在改变大多数工业领域。第一波工业可穿戴设备是从消费类设备中改造而来的，而当前的第二波工业可穿戴设备是专门为工业用户设计的（例如，具有增强现实功能的头戴式耳机和具有更长电池寿命的智能手环，适用于轮班工作）。

物联网技术正日益融入可穿戴设备中，以改善工人的安全，降低差错率，提高生产率和工作质量。智能可穿戴设备可在工人和中心位置（例如现场办公室）的数字平台之间建立连接，从而提高可视性。使用可穿戴设备可以大幅改善对体力要求高和危险职业的职业安全和健康管理，例如，跟踪危险工作区域中的工人位置并监测工人的生理状况（疲劳或压力）。

通过工业物联网，可穿戴设备有望为工业领域带来高增长机会。专为工业环境设计的智能可穿戴设备和传感器的发展是由可量化的结果驱动的，例如工人伤亡率的降低、工人生产率的提高和成本的下降。由可穿戴设备提供的实时数据能力、监测和跟踪能力将支持市场进一步增长。随着连接性和传感器技术的不断发展，能源、公用事业、制造业、建筑业和采矿等各行各业的公司都开始利用传感器和连接性来产生更大的价值。先进的传感器、网络、数据科学和分析技术的使用，在安全性、生产率和决策方面带来了巨大的进步，这也昭示了可穿戴设备未来的美好前景。

这种颠覆性的力量正在逐渐渗入个人防护用品（PPE）领域。工人们依靠个人防护用品来保证他们在潜在危险工作环境中的安全性。在这一层面上，最终用户、雇主和买方有牢不可分的共同利益：获得符合规定的个人防护用品和其他安全设备，并通过防止工作场所伤害和避免由此产生的费用来增加保护。雇主有权要求拥有“智能”安全设备，制造商应满足他们的需求。

在PPE中可穿戴设备和传感器的众多应用中，最常见的应用有：

（1）保护环境免受无形风险

智能防护服带有气体、化学、热、声音、紫外线、冲击和脉冲传感器，可监测外部环境和使用者。它会及时提醒佩戴者注意危险，以便采取预防措施，并提醒主管人员在工人遇到麻烦时进行干预。

（2）智能通信系统：智能头盔、耳罩和口罩可在嘈杂或低能见度的环境中提供快速有效的通信。

（3）更安全的设备：智能锁定/挂签、倒车摄像头和警报装置、机器的智能自动化和其他自动化安全措施使工人更加安全。

运动可穿戴设备

互连可穿戴设备引起了相当大的热议，它将改变业余和职业体育。除了像健身手表这样的贴身可穿戴设备，我们还看到了用于运动、健身和保健的“身上”智能服装，包括T恤、帽子、文胸、裤子、袜子和鞋子。具有可调节性、发光性、触感和灵敏度等功能的可穿戴电子纺织技术可用于多种体育应用以及医疗、太空探索和游戏等其他领域。

主要的可穿戴电子织物具有嵌入式电容、电阻和光学传感器，使纺织品能够感应到触摸、应变、压力、温度和湿度。传感器通常连接到控制板以处理信息。Wi-Fi和蓝牙是交互式纺织品中最常见的通信方法，采用混合供电方式。这对电池的要求是必须满足可拆卸，或满足薄、扁平、柔性要求，能经受洗涤、干燥、熨烫和干洗。

2018年在韩国平昌举行的冬季奥运会上，运动员们冒着零下的温度，展示了采用嵌入式加热技术的服装。拉尔夫·劳伦为美国奥运代表队和残奥会代表队设计了防水外套，在细长的电池组上配备了纽扣，运动员甚至可以戴着手套轻松按下按钮，以保持温暖。他们还可以通过手机设置所需的温度水平。

其他案例包括OM SignaI公司的PoloTech智能运动服，由拉尔夫·劳伦设计，在布料中嵌入了导电的银纤维，它集成了生物传感器，可以监测温度、压力水平、心率和呼吸。通过蓝牙连接到iPhone、iPod和iWatch上的移动应用程序，还能计算步数，记录消耗的卡路里和运动强度。OM Signal公司的OMbra是一款智能文胸，由聚酯、弹性纤维和尼龙混合制成，具有最佳拉伸效果，并使用与PoloTech智能运动服相同的传感器，可以链接到OMRun应用程序或其他健康和体育应用程序。这两种产品都是可清洗的，带有可拆卸的传感器，在下次充电前可使用10次。在鞋类领域，Digitsole智能鞋可以计算步数、走过的距离和消耗的卡路里，并集成了足暖系统和手电筒。

目前，这些技术产品对于日常消费者来说太贵了，新的产品解决方案正在职业体育领域进行测试。虽然到现在为止人们最关注的还是体育器材、技术和物联网如何提高运动成绩，不过人们对与实时监测和生物测定数据采集已经越来越感兴趣。这些数据可以用来分析人类的表现，例如呼吸频率、心率、体温、水合水平和肌肉张力。

在世界一级方程式赛车锦标赛（F1）中，技术创新传统上主要集中在汽车、轮胎等部件和配套的IT系统上，对车手和支持人员的关注较少。然而，车手的表现是赢得任何比赛的关键。在汽车驾驶舱内，驾驶员的身体承受着拥挤、高温、脱水和重力的巨大压力。维修站工作人员、工程师和其他工作人员也承受着来自恶劣环境、不同时区和极端气候的相当压力。司机们越来越多地穿着与汽车相连线的特殊服装来监控自己的状态。通过使驾驶员和其他团队成员对自身健康和安全采取积极的态度，不同类型的智能可穿戴设备可以为他们提供竞争优势。可穿戴设备实时收集有关身体行为的更多数据，可以帮助改善个人决策、反应和恢复能力，并能使团队采取措施优化成员的表现。可以调节身体比如能调节体温的衣服可能对使用者来说特别有益。最终，正是它们的实用性推动了此类可穿戴设备的采用。

物联网还可以通过增强内容和娱乐来改变观众的体验。借助智能可穿戴设备和智能手机，可以将球队和球迷联系在一起。通过连接到赛道、运动场上或嵌入衣服中的传感器的移动应用程序，粉丝可以通过视频源跟随自己喜欢的车手、球员或球队，参加现场投票，并在社交媒体上分享他们的经验。在足球和橄榄球运动中，智能可穿戴设备可实现高效的数据跟踪。包括心电图读数和360°监控，这对于球员和教练很有用。在一些比赛中，球迷们可以在他们的屏幕上接收关于球员奔跑距离或传球数据。在E方程式赛车（电动汽车）中，车迷们可以通过赛事的官方应用程序投票给车手提供动力。还有很多更令人兴奋的创意正在酝酿中，将大大丰富观众的体验。

可用性和舒适性对于B2C（企业对客户）和B2B（企业对企业）体育应用都是极其重要的。笨重的战术夹克会干扰到运动员或球员，阻碍他们的运动，因此正在为体育应用开发不那么坚固但更灵活的材料，包括电子纺织品。纳米纤维正在测试中，以取代不方便的电线。随着传感器技术变得更轻、更薄、更灵活，可穿戴电子织物将变得更加便携，但它还需要有可延展性，易于融入服装，能根据个人身体物理状况和环境进行调节。目前正在研究提高可洗性，延长电池寿命和可回收性。

如果没有电极、连接器和互连器等电子组件，将无法使用可穿戴电子织物。可穿戴电子织物在收集生物电信号时，电极将在人体和电路之间架起一座桥梁。电子纺织电路需要的电源来自锂聚合物电池。正在开发和研究创新性的电源能源系统，以嵌入到运动服装和其他类型的服装中。电路的日趋微型化也使得各功能的无缝结合成为可能，从而提高了可穿戴电子织物的市场渗透率。

纺织电路是建立在纺织基材上的电路，例如通过将刺绣导电线并入纺织品基底中。导电图形也可以使用基于石墨烯的喷墨打印技术来制作。另一种建立纺织品电路的技术是在纺织基材上焊接一个电路。将电路连接到纺织品后，就可以像传统印刷电路板一样进行焊接。

纤维技术提供了在织物中嵌入功能的另一种方式。可以使用常规编织方法将纤维整合到纺织品中。生产方法的进步，例如热拉拔工艺，正在带来新的机遇。现在可以将多种材料组装成复杂的几何形状。通过改变材料的特性，可以制造出能感知、适应和通信的纤维。在未来，织物可以通过改变温度、颜色或硬度来对刺激做出反应。

运动型可穿戴设备的发展将取决于原始设备制造商是否有能力生产具有无缝嵌入式电子设备的产品以满足用户的舒适性和性能需求，以及可穿戴设备对球员、教练、球队和球迷的有用性。结合跨行业专业知识（例如电路设计、纺织创新、系统集成和连接），打造出智能的、舒适和高性能的運动可穿戴设备，将带来巨大的增长机遇。