2月4日，北京冬奧會正式開幕，全世界的目光再次彙聚到了中國。
這幾天，相信大家也沉浸在冬奧的氛圍中，沉迷于選手們的飒爽英姿。
圖源：新華社
冬奧會不僅是全球體育的盛事，也是先進科技的展示舞台。除了開幕式中展示的“AI實時視訊特效”技術、選手社交平台上出現的智能機器人、比短道速滑還快的“獵豹”之外，可穿戴電子裝置在冬奧疫情防控等方面也發揮着舉足輕重的作用。
“AI實時視訊特效”技術
圖源：CCTV
智能機器人
圖源：weibo.com
比短道速滑還快的“獵豹”
圖源：央視訊
01
什麼是可穿戴電子裝置？
可穿戴電子裝置是可以直接穿在身上，或是整合到衣服或配件上的便攜式裝置，它能通過軟體支援和資料互動、雲端互動實作強大的功能。
可穿戴電子裝置種類豐富，主要包括運動監測、娛樂休閑和健康醫療三大類。運動監測類主要有手臂類包括臂環、手環、手表和腕帶等；智能VR頭盔、智能眼鏡和無線耳機等産品都是典型的休閑娛樂類可穿戴裝置；健康醫療類主要有貼片式和織物式，包括可穿戴智能監護儀、皮膚測溫貼等。
可穿戴裝置常見穿戴位置
圖源：參考文獻[2]
可穿戴電子裝置共由傳感單元子產品，資料采集/處理子產品、通訊子產品、柔性電路和電源子產品，五大主要部件構成。
可穿戴裝置的主要組成部分
圖源：作者
傳感單元
各種傳感器內建在一起，用于感覺人體身體運動和生理參數的變化，比如體溫、運動狀态和生理信号等，并轉化為可視的電信号。常見的傳感器包括運動傳感器和和生物傳感器。
運動傳感器可以随時随地測量、記錄和分析人體的活動情況，使用者可以知道跑步步數、能量消耗和睡眠時間，同時還能導航、娛樂、人機互動等。生物傳感器包括血糖傳感器、血壓傳感器、心電傳感器、肌電傳感器、體溫傳感器、腦電波傳感器等，主要實作的功能包括健康預警、病情監控和娛樂等。
資料采集/處理系統
由各種處理器和存儲媒體構成，主要用于記錄和存儲傳感單元的感覺信号，包括采集人體的運動資料和生理資料。
通訊系統
由無線通訊子產品構成，主要将采集好的人體運動資料和生理資料上傳到手機等移動終端或者遠端伺服器來實作實時監測。
電源系統
主要由锂離子電池組成，為各個子產品的正常工作持續供電。
柔性電路
就像電線一樣，将傳感單元、資料采集系統和通信子產品連接配接在一起，實作電信号的傳輸。
02
可穿戴電子裝置的工作原理
可穿戴電子裝置的工作原理可以簡單地概括為：傳感單元将人體運動和生理參數的變化信号按照一定的規律轉換為電信号輸出，然後經過資料采集/分析系統處理，最終輸出到終端裝置。
可穿戴裝置資料傳輸存儲流程圖
以智能手表為例，它可以監測人的心率、睡眠品質、運動步數和卡路裡消耗等。對于心率的監測，用到的是光電容積法，具體原理是追蹤綠光在人體組織的反射。在智能手表的背面通常有兩個LED小燈泡向手臂發射綠光，兩個小燈泡之間有一個光電傳感器，用來感應反射光。
選擇綠光的原因有兩個：一是綠色和紅色是互補色，人體血液是紅色的，是以血液會吸收綠光；二是綠光對外界溫度變化造成的信号漂移是最小的，也就是說抗幹擾能力更強。
心率指的是心髒跳動的頻率，當心髒跳動時，血液被泵到全身的血管，此時流經手腕的血液增多，對光的吸收就越多，是以反射出去的綠光就變少了。每當心髒跳動一次，光電傳感器監測到的綠光就變化一次。是以，光電傳感器監測到綠光變化的頻率就和心髒跳動的頻率一緻。
對于睡眠品質、運動步數和卡路裡消耗的監測，都是用到三軸加速度傳感器。這個傳感器可以監測不同方向的加速度、振動等運動情況，然後通過不同的算法進行分析。
對于睡眠品質的監測，是通過内置的三軸加速度傳感器記錄三個方向上的加速度資料，再通過資料評估身體翻身、移動等情況（身體不動代表深度睡眠，身體移動代表淺睡眠），并通過獨特算法得出睡眠時間，深睡眠時間和淺睡眠時間，最後評估睡眠品質。
對于運動步數的監測，傳感器用來檢測使用者的動作和速度變化，然後結合使用者的身高等資料估算出運動的步數和距離。對于卡路裡消耗量的監測，傳感器判斷使用者處于哪種強度的運動，然後通過公式計算出這種強度運動下的耗氧量，最後通過公式計算卡路裡的消耗量。
03
可穿戴電子裝置助力冬奧會
此次冬奧會，科技手段幾乎覆寫了專項訓練、強化體能、訓練監測、醫療康複等每個環節。除了常見的智能手表、VR頭盔等可穿戴裝置之外，很多新穎的可穿戴裝置也被采用。
可穿戴體溫計
首先要介紹的是用于防疫領域的智能體溫計，也被稱為“腋下Ok繃”，它是一款可穿戴式體溫計和疫情防控“千裡眼系統”。這款腋下Ok繃是目前全球最小、最精準的可穿戴式連續智能測溫裝置。
隻需用Ok繃或皮膚貼，将智能體溫計固定在腋下的皮膚上，再用手機下載下傳App将該裝置綁定，體溫資料變化便會在手機頁面清晰展現，24小時内可自動測量、自動上報。
圖源：參考資料[3]
“腋下Ok繃”的工作原理是基于一種可變量程的溫度傳感器，即通過溫度傳感單元來擷取人體溫度資訊，再經過數字換算，輸出一個數字信号來回報人體的即時溫度。
圖源：參考資料[4]
可穿戴石墨烯智能發熱織物
可穿戴石墨烯智能發熱織物包括石墨烯服裝、圍巾、手套、襪子等，被應用到“相約北京”測試賽中。
石墨烯發熱織物主要有三個用途：第一，為雪場從業人員和運動員供暖，戴上它們，可實作38℃-52℃溫度調節；第二，手機、對講機、錄影機等裝置在冬奧戶外賽場可能無法正常工作，裝置穿上石墨烯“外套”可避免故障；第三，石墨烯發熱織物還應用到觀衆座椅中，在零下二十幾攝氏度的室外場館，發熱座椅套能有效提高座椅舒适感，即使置身“料峭寒風”，觀衆仍能在融融暖意中觀賽。而可穿戴石墨烯智能發熱織物的工作原理，簡單地說就是基于石墨烯良好的熱傳導性能，即通過電流來産熱。
圖源：參考資料[5]
數字人民币可穿戴裝置錢包
數字人民币可穿戴裝置錢包包括超薄卡錢包、可視卡錢包和徽章、手表、手環等形式，全面覆寫食、住、行、遊、購、娛、醫七大重要消費場景的支付服務需求，外國運動員在不開中國内地銀行賬戶的情況下，也可以輕松使用數字人民币消費。這不僅為部分無法使用智能裝置的特殊群體提供跨越數字鴻溝的可能，還可以為國内外運動員、教練員和觀衆提供更多出行及支付便利。
圖源：sohu
在冬奧會一個個精彩比賽進行的同時，很多科技智慧故事也正在上演。讓我們一起期待運動員們的精彩表現，一起見證“黑科技”的華麗現身。
參考文獻
[1]谷元靜,史婷奇.可穿戴裝置在醫學領域中的研究進展[J].全科護理,2021,19(35):4954-4958.
[2]李安安,石萍.人體日常健康管理可穿戴裝置研究進展[J].北京生物醫學工程,2021,40(04):430-436.
[3]https://www.cdstm.cn/subjects/kjdabxyd/dajctj/kjfyyjh/202112/t20211229_1062451.html?hmsr=weibo
[4] http://news.cyol.com/gb/articles/202104/05/content_xAdV2iVmP.html
[5]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1720943378957125817&wfr=spider&for=pc
轉載内容僅代表作者觀點
不代表中科院實體所立場
來源：上海科技館
編輯：荔枝果凍