婴幼儿健康监测智能穿戴产品设计特点解析

黄 伟

(江西服装学院 服装设计学院，江西 南昌 330201)

随着5G通信、物联网、芯片和电池技术的快速发展，智能穿戴产品已成为学术界和产业界关注的热点。据2021年美国市场研究与预测公司公布的数据显示，2020年全球智能穿戴产品出货量达到4.447亿台，同比增长28.4%[1]。广阔的市场前景引来了投资的热潮，大量国内外IT技术领先企业纷纷投入到智能穿戴产品研发领域，未来市场空间巨大。

近几年，在国家生育政策的积极推动下，我国婴儿出生率和自然增长率呈现回升态势。随着人们生活水平的提高和消费观念的转变，现代家庭的育儿方式与之前大不相同，从最初的吃饱穿暖到科学胎教，从关注幼儿的生理发展到注重幼儿的综合性发展，人们一直在探索更高效、更科学的育儿方式。年轻父母缺乏哺育婴幼儿方面的经验，当婴幼儿生命体征出现异常或发生紧急状况时，往往十分焦虑和迷茫，面对育儿过程中遇到的种种问题，年轻父母需要专业的育儿指导和服务，以提高解决实际问题的能力。目前，不同类型与功能的婴幼儿智能穿戴产品已逐步上市，父母可以远程监测婴幼儿的健康和安全状况，将危险防患于未然，大大减轻了生活压力和负担。

本文采用文献研究法和比较研究法来探讨婴幼儿健康监测智能穿戴产品的设计特点，研究范围限定在可穿戴设备开始成为智能终端产业热点的2012—2021年之间的相关研究案例。目的是通过分析婴幼儿健康监测智能穿戴产品的研究现状与开发案例，掌握不同类型产品的设计特点和最新开发动向，为婴幼儿健康监测智能穿戴产品向信息化、便捷性、实用性方向发展提出具体可行的设计建议，并为企业和设计者提供有助于产品设计与开发方面的参考资料。

1 婴幼儿健康监测智能穿戴产品

婴幼儿健康监测智能穿戴产品是指可以直接穿戴在人体上的便携式医疗或健康监测电子设备，具有信息采集、记录、存储、传输、分析、显示、调控、干预等功能。婴幼儿健康监测智能穿戴产品融合了射频识别(RFID)、红外线感应器、 全球定位系统(GPS)、传感器、虚拟现实(VR)、增强现实 (AR)等技术，通过大数据和“互联网+”云平台将相关数据进行收集处理并共享，实现与人、环境的实时互动，为婴幼儿的健康、安全评估提供一种解决方案[2]。

随着科技进步和高性能、低功耗处理芯片的快速迭代，婴幼儿健康监测智能穿戴产品的种类逐渐丰富，已从概念化走向商用化。按照产品形态分类，主要有服装类和饰品类。服装类可细分为婴儿连体衣、智能睡衣、智能纸尿裤等；饰品类有智能手表、手环、脚环、帽子、头带、体温计、奶嘴等。按照产品功能分类，可分为医疗类，如血氧仪、心电监护衣等；监测类，如睡眠监测衣、情绪监测服、智能防溺水头带等。

2 婴幼儿健康监测产品的研究现状

国外对智能穿戴产品的研究起步较早，相继投入大量的人力和物力，不断致力于新技术、新工艺、新产品、新材料的研制，取得多项突破性研究成果，涌现出一批科技领先企业，其中儿童智能品牌有美国的Mimo®、Owlet Baby®、Exmovere®、Kiddowear®，日本的Dfree®，韩国的Lineable®、Allb®等。

美国的密西根大学Khan T[3]研发了具有人工智能图像处理和报警功能智能婴儿监测设备。该设备利用美国英伟达(NVIDIA)公司生产的Jetson Nano微控制器，配备夜视摄像头和WiFi连接技术，能够自动检测婴儿睡眠姿势，不同场景下的测试实验证明该设备监测数据精确，当婴儿睡眠姿势出现异常时能够自动报警。Jakubas A等[4]开发出纺织传感器BabyTex，能够远程监测婴幼儿的呼吸频率、湿度、体温和活动状态。美国加州大学Koo H等[5]将柔性压力传感器、光学传感器、运动传感器、声控传感器等负载到服装上，为儿童自闭症谱系障碍(ASD) 患者开发出智能服装“TellMe”，具有改善ASD的功能，只要朝着TellMe上的麦克风发出指令就能激活交互功能，以提升患者的交流能力和语言能力。韩国学者[6]对婴幼儿智能穿戴设备中传感器位置合理性进行研究，分别对心率传感器、温度传感器、睡眠监测传感器的附着位置进行测试，实验发现：通过改进算法和优化程序性能，能够避免传感器的安装位置误差。另外，德国、英国、法国、加拿大、日本等发达国家正在着力发展智能设备产业，也取得了部分标志性科研成果。

我国对智能穿戴产品的研究仍处于初期阶段，研发和技术尚未成熟，产品种类单一，主要是智能手表、手环。但是，我国5G和物联网技术处于世界领先水平，为了抢占新一代人工智能发展的重大战略机遇，构筑我国经济社会发展新动能，各级政府加大了智能穿戴产品领域的投资力度，取得一定成绩，整体呈现蓬勃发展态势，如涌现出华为技术有限公司、小米科技有限责任公司、小天才科技有限公司等领先企业。

吴宇娟等[7]结合婴幼儿生理和心理特点,分析婴幼儿可穿戴设备需要遵循安全性、舒适性、准确性、易用性的设计原则。焦旭东等[8]研发出婴儿健康监测智能设备，利用光电传感器和温度传感器，分别采集婴儿的心率和体温信号，且误差较小,遇到危机情况时能够自动报警。张允琳[9]以消费者对婴幼儿可穿戴产品的感性需求为出发点，对现有产品进行调研分析，获取了感性需求设计要素，开发出一款婴幼儿安全监护智能脚环，为婴幼儿可穿戴产品开发者提供一种设计思路。

3 婴幼儿健康监测产品设计特点

3.1 形态设计特点

3.1.1 服装形态的婴幼儿智能穿戴产品

服装形态的产品是指穿着在婴幼儿身体上的可穿戴设备，以常规服装、睡衣或纸尿裤等形式出现。

2012年美国Exmovere生物医学工程公司[10]研发一款智能婴儿服装，内部装有体温计、心律监测器和动作传感器，设备通过数据管理系统分析，能够判断婴儿的情绪状态，并将监测信息反馈到手机终端APP，用户可以了解婴儿的最新动态。另外，该设备还能对智能婴儿服装的潮湿度进行监测，当婴儿尿湿服装时，系统及时通知父母为婴儿更换尿裤。2014年Rest Device公司[11]推出一款负载传感器的婴儿连体衣，能够监测婴幼儿皮肤的温度、呼吸频率、身体姿势和活动模式。温度和呼吸传感器隐藏在服装内部，通过蓝牙对接，设备之间能够实现交互及远程操控，并及时将监测信息反馈到手机APP，监护人随时掌握婴幼儿的温度、呼吸和睡眠状况。2012年中国婴童品牌i-baby引进德国的Outlast技术开发出智能恒温睡衣[12]。Outlast技术是一项用于控制宇航服温度的专利技术，利用特殊的智能调温材料(PCMs)管理宇航服内部的温度和湿度，PCMs能够随温度变化实现从固态到液态的相变，当温度过热时吸收并储存多余热量，过冷时释放多余热量，使皮肤表面保持舒适。智能恒温睡衣自主实现冷热动态调温，使婴幼儿不会因夜间温度骤变而着凉感冒，始终处于舒适的睡眠环境。

2019年美国麻省理工学院研发智能纸尿裤[13](见图1)，采用无源射频识别技术，正面嵌入湿度传感器，当监测到纸尿裤受潮时，设备会向智能手机发送信息，及时提醒监护人更换纸尿裤。设备负载的湿度传感器生产成本低廉，仅为2美分，低于其他类型智能纸尿裤的生产成本，有望成为智能纸尿裤领域的主流产品。此款纸尿裤不仅可用于婴幼儿，还可以用于生活无法自理的老年人群。

图1 智能纸尿裤Fig.1 Smart diapers

3.1.2 饰品形态的婴幼儿智能穿戴产品

饰品形态的产品是指配戴在婴幼儿身体上的智能终端设备，其形态类型丰富，除常见的防走失智能手表、手环等，还有监测婴幼儿健康状况的袜子、脚环、臂环、帽子、头带、纽扣等。

2017年美国婴儿健康护理公司Owlet开发出婴儿智能袜子[14](见图2)，负载有脉冲传感器、加速度传感器、温度传感器，能够实时监测和记录婴儿的心率、皮肤温度、睡眠质量及位置等信息。另外，Owlet智能袜子搭载有Pulse血氧测量系统，婴儿睡觉穿上智能袜子，父母通过手机APP适时掌握婴儿的健康数据，给予婴儿更全面的呵护。

图2 智能袜子Fig.2 Smart socks

2013年美国初创公司Sproutling研发婴儿智能脚环[15](见图3)，此款设备由蓝牙基站、微型照相机以及手机APP软硬件构成，用于监测婴儿的呼吸频率、睡眠质量、环境温度和光线等数据，监护人通过APP查看监测数据，观察婴儿的实时状态，假设婴儿出现健康状态不佳时，手机APP会及时自动报警。

图3 智能脚环Fig.3 Smart foot ring

2016年美国Neopenda健康公司开发智能婴儿帽[16](见图4)，内置多个传感器，用于监测新生儿的心率、温度、呼吸频率和血氧饱和度等生命体征。该款设备可以24 h记录并存储新生儿各项生命体征数据，并上传至定制软件存储，医护人员可以随时查阅监测数据，如果新生儿生命体征出现异常，设备会迅速发出警报，提醒医护人员及时进行处理。

图4 智能婴儿帽Fig.4 Smart baby hat

2014年美国Arturas Vaitaitis[17]发明了一种名为Monbaby的智能纽扣，内置加速度传感器和微电子机械系统 (MEMS)，可以精确地检测并分析婴幼儿的心率、呼吸频率、活动量以及睡姿。Monbaby的电池续航时间可达1个多月，并通过蓝牙将监测数据传输至手机APP，监护人可及时掌握婴幼儿的健康状况，如遇突发状况，设备会向监护人发送提醒信息。另外，监护人可以将数据在线分享给儿科医生，得到诊断和就医指导。美国iTherm公司创始人、软件开发者Marcos Oliva[18]推出智能臂环，用于实时监测婴幼儿的体温，监护人只需要将智能臂环穿戴在婴幼儿上臂，设备会间隔1 min测量1次体温，并通过搭载的蓝牙4.0与手机互联，用户随时查看体温监测数据。假设婴幼儿体温超过37.0 ℃时，手机会自动发出警示信息，提醒监护人婴幼儿有发烧状况，需要及时就医。美国Aquatic Safety Concepts公司[19]在国际消费类电子产品展览会(CES)上推出一款儿童智能防溺水头带。设备自带溺水检测系统，内置防水蓝牙发射器，支持蓝牙与iOS设备互联，可以帮助监护人监测幼儿的适时状况，当设备处于水下时间超过预设值时，会及时向监护人手机发送报警信息，提醒监护人关注幼儿在泳池中的状况，有效预防和减少溺水事故发生。

3.1.3 婴幼儿其他形态智能穿戴产品

根据产品的使用方式，其他形态的智能穿戴产品细分为粘合型和接触型。粘合型以美国的Blue Spark 公司推出的无线粘合温度计(Temp Traq)和美国食品和药品管理局(FDA)认证医疗级可穿戴设备儿童智能体温计(Fever Scout)为代表。接触型产品以防范婴儿猝死综合征(SIDS)为设计目的，以韩国All About Baby公司推出的Myallb智能监测器和英国的Pacifi-i智能奶嘴为代表。

Temp Traq产品的使用方式如同创可贴，可以直接粘贴在婴幼儿身体上，设备内置蓝牙和温度计，能够持续测量婴幼儿的体温，并将监测数据无线传输至HIPAA兼容的云平台存储，监护人随时可以在手机APP上读取数据，假设婴幼儿体温超过预设值范围，设备会向APP发出警告[20]。

Fever Scout医用级别贴片体温计采用聚氨酯(PU)和柔性有机硅树脂制成，内置VivaLnk维灵公司生产的eSkin数字健康高端传感器，可以无线连接移动设备和云平台，能够持续监测人体体温、心率、呼吸频率、睡眠状态等生理数据[21]。Fever Scout贴片粘贴在婴幼儿腋下，可以远程24 h监测体温，数据精确到±0.1 ℃，当婴幼儿体温超出正常范围时，监护人的移动设备会收到警示信息。All About Baby造型类似圆形锯齿状夹子(见图5)，稳定夹持在纸尿裤上，内置加速度传感器和倾斜传感器，通过蓝牙发射器与移动终端设备连接，能够24 h监测婴幼儿的呼吸频率、活动量及睡眠姿势，假设婴幼儿摔倒或睡眠姿态异常时，智能手机会收到警报[22]。

图5 智能监测器Fig.5 Smart monitor

英国Blue Maestro公司研发了Pacifi-i智能奶嘴[23]，形状与普遍的奶嘴相同，内置温度传感器，连接智能手机APP，可以追踪智能奶嘴的实时温度，如果婴幼儿体温过高时，APP会及时提醒监护人采取相应措施。

3.2 功能设计特点

3.2.1 监测婴幼儿健康状况及存储数据

婴幼儿的心率、呼吸频率、血氧饱和度、体温、睡眠质量等是确认其健康状况的重要指标。大部分婴幼儿智能穿戴产品均具有健康监测和数据存储功能，尤其是服装和饰品形态的智能穿戴产品，由于传感器附着位置与婴幼儿的身体接触紧密，所以监测和分析的生理数据更加精准。婴幼儿身体机能还未发育成熟，很难依靠自身力量保持身体平衡，容易出现因睡眠姿态异常而导致呼吸困难。Rest Device婴儿连体衣和Owlet智能袜子可以监测婴幼儿的睡眠姿态、位置，还可以监测到婴幼儿是睡眠状态还是非睡眠状态。另外，Temp Traq温度计、Fever Scout体温计和Pacifi-i智能奶嘴，主要功能是持续测量婴幼儿的体温，并进行监测、分析和存储。Myallb智能监测器搭载有摔倒、睡眠姿态测定功能，防止了婴儿睡眠呼吸中止症发生，或因睡眠姿态异常而窒息。

大部分婴幼儿智能穿戴产品应用蓝牙技术与移动终端设备互联，都具有传输、分析和储存数据功能，实现监测和预警功能，有效保障了婴幼儿的生命安全。

3.2.2 提供育儿帮助及警示信息

婴幼儿智能穿戴产品负载的传感器、微型芯片等电子元件，能够对突发事件做出预判和发送警示信息，对育儿提供指导与帮助。例如儿童智能头带有防止幼儿溺水的功能，当设备处于水下时间过长时，会向监护人报告急救需求。防走失智能手表能够实时定位儿童的位置，监护人通过手机APP设定20～200 m的直径电子围栏，当幼儿离开预设的电子围栏范围时，GPS定位装置会向监护人发送警示信息。iTherm智能臂环、Sproutling智能脚环和Neopenda智能婴儿帽等设备，均能够监测婴幼儿的生理数据，发生异常时会发出警报。

3.3 材料设计特点

3.3.1 纯棉或低刺激性材料

棉纤维具有良好的吸湿性、保湿性及耐热性，与皮肤接触无任何刺激性，不会导致皮肤过敏，所以大部分婴幼儿智能穿戴产品都会使用纯棉纤维制作，例如Exmovere智能婴儿服装、Rest Device婴儿连体衣和i-baby智能恒温睡衣等产品；Owlet的婴儿智能袜子则采用医疗级别纱线和低刺激性有机棉制成，达到全球有机纺织品标准 ，是消费者可信赖的产品。

3.3.2 医疗级别硅胶材料

与婴幼儿皮肤直接接触的粘合型和接触型智能穿戴产品，均使用对皮肤不会产生刺激的材料制备。例如Sproutling研发的婴儿智能脚环，采用医用硅胶材料制作，无毒无味，耐生物老化，对人体组织的反应很小。粘合型Fever Scout儿童智能体温计采用聚氨酯(PU)和柔性有机硅树脂制成，具优异的热氧化稳定性、防霉菌等特性。接触型Pacifi-i智能奶嘴采用食品级硅胶材质制作，硬度弹性适中，无色无味无毒，有效帮助幼儿牙龈发育。

3.3.3 安全性的电子元件

婴幼儿智能穿戴产品具有感知、识别、分析、无线通信等功能，设备本体负载有低频、低辐射电子元件，开发者需要充分考虑电磁污染对婴幼儿健康产生的影响。医学研究证明，长期处于高电磁辐射的环境中，可导致婴幼儿智力残缺，会使血液、淋巴液和细胞原生质发生改变，诱发多种疾病[24]。因此，开发婴幼儿智能穿戴产品必须使用低频、低辐射、高效率的电子元件，以保障产品的绿色性和安全性。例如Monbaby智能纽扣、Temp Traq粘合温度计、儿童智能防溺水头带等设备均使用了高性能、低能耗、超低辐射的蓝牙芯片，对婴幼儿健康不会产生影响。

4 婴幼儿健康监测产品设计建议

婴幼儿健康监测智能穿戴产品市场前景广阔，通过对研究现状及设计特点的分析，提出以下几点设计建议。

①注重设计与科技的结合。在形态设计方面，根据婴幼儿的生理习惯及喜好度进行设计，掌握智能穿戴设备的科技发展趋势，尽可能应用新技术、新材料，提高产品科技含量，升级消费体验，提升产品竞争力；在功能设计方面，调研消费者的功能需求，细分健康监测产品的类型，拓展更多实用功能，如互动功能、娱乐功能、可视化功能、远程医疗诊断功能等。在材料设计方面，使用对婴幼儿健康无害的绿色材料，以及安全性高的电子元件。

②注重软件和硬件的结合。婴幼儿健康监测智能穿戴产品通过收集和分析用户身体的数据，对健康状况做预判，并给出预防建议，其系统方案是由“终端开发+应用服务器+手机应用端”3部分构成。产品开发者首先解决硬件供应链、模具、调试等方面的问题，然后结合产品功能和用户需求开发手机应用端，打通软硬件之间的壁垒，融合双方优势，做好每一个细分领域，使硬件、软件、云平台、云服务各环节都达标。

③以用户需求为导向设计产品，保持创新优势和竞争优势。设计者要具备一定的婴幼儿养育经验，了解父母在育儿过程中遇到的困惑，掌握消费者对设备配置、价格、功能和服务方面的需求，精准抓住用户消费心理。

④提升产品的服务设计水平。为了达到婴幼儿智能穿戴产品易用、满意、信赖、有效的服务目的，开发者要定期维护和更新软硬件系统，对用户传递的服务需求予以重视，建立用户回访机制和沟通渠道，了解用户使用建议，提升用户体验，改善产品服务水平，创造新的服务方式。

⑤构建“互联网+”智能监测数据云平台，实现用户与医生零距离交流，增强互动体验。当婴幼儿健康出现异常时，医生能够及时远程诊断，为用户提出初步处理意见，提高用户管理婴幼儿健康的能力。

5 结束语

近几年，我国在智能穿戴产品方面的研究呈现蓬勃发展趋势，随着智能化产品逐渐融入人们的生活，婴幼儿健康监测智能穿戴产品获得越来越多年轻父母的青睐。本文采用文献研究法和比较研究法，对婴幼儿健康监测智能穿戴产品的分类和研究现状进行综述，重点从产品形态、功能、材料3个方面，对婴幼儿健康监测智能穿戴产品的设计特点进行研究，得出婴幼儿健康监测智能穿戴产品能够为父母(监护人)提供婴幼儿心理、生理健康方面的信息，有效保障婴幼儿的生命安全，减轻父母的育儿负担与压力。我国开发的婴幼儿健康监测智能穿戴产品类型和功能单一，应该加强系列化和差异化产品的开发力度，注重对婴幼儿身体无刺激性绿色材料的使用与研发，加快产业转型与升级，加快发展新一代人工智能技术，构筑我国经济社会发展新动能。