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撰稿 | 王瑞平

據(jù)多家國外媒體爆料，蘋果公司將在自家舉辦的WWDC 2023大會上大概率發(fā)布xrOS系統(tǒng)以及Reality Pro MR頭戴設(shè)備。這可能是蘋果公司繼Apple Watch和AirPods后推出的全新可穿戴產(chǎn)品線。隨之將引爆新一輪的可穿戴產(chǎn)品熱潮。

本著對可穿戴技術(shù)的好奇，51CTO技術(shù)棧采訪了可穿戴技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜遥绹_格斯大學(xué)生物工程系的牛思淼教授，邀請牛教授探討可穿戴技術(shù)的前沿內(nèi)容和發(fā)展趨勢。

牛思淼教授在可穿戴技術(shù)領(lǐng)域深耕多年。在羅格斯大學(xué)任教前，牛教授曾在蘋果公司健康傳感和科技部門擔(dān)任研發(fā)工程師，先后參與過Apple Watch的心電圖、溫度傳感器等重要功能的研發(fā)。時至今日，牛教授不僅在學(xué)術(shù)領(lǐng)域成果頗豐，還親身親歷了Apple Watch從設(shè)計、研發(fā)、測試到投入市場的全過程。牛教授在可穿戴領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)研發(fā)沉淀可謂相當(dāng)深厚。

“完成斯坦福大學(xué)博士后的研究工作，我進行了詳細的職業(yè)規(guī)劃。彼時，我所從事的科研偏向于應(yīng)用技術(shù)研究，了解工業(yè)界電子設(shè)備最領(lǐng)先的技術(shù)是很有必要的。蘋果公司也是業(yè)界的領(lǐng)頭羊。因此，我決定加入蘋果公司，投身于產(chǎn)業(yè)一線的硬件設(shè)備研發(fā)工作?！迸Ｋ柬祷貞浾f。

“加入蘋果公司這個職業(yè)規(guī)劃對我未來的發(fā)展會更有好處。說到底，我的長遠目標是成為一名教授進行最前沿的學(xué)術(shù)研究。這幾年的公司工作經(jīng)歷能夠拓寬我的視野，對我接下來的研究工作幫助很大?！迸Ｋ柬笛a充道。

“相比于在蘋果所參與的具體研究項目，蘋果內(nèi)部所傳遞的硬件研究態(tài)度，尤其是服務(wù)于無處不在的真痛點、解決掉大有意義的小問題，對我未來在可穿戴領(lǐng)域的前沿學(xué)術(shù)研究有舉足輕重的意義。”

這次專訪，牛教授講述了他在蘋果公司的研發(fā)經(jīng)歷和他現(xiàn)階段從事的柔性可穿戴技術(shù)研究。

1、真痛點：庫克的感謝信  

加入蘋果后牛思淼教授參與的第一個研究是蘋果手表心電圖測試功能，搭載此功能的產(chǎn)品于2020年9月16日發(fā)布，并于2020年9月20日正式開售，即Apple Watch Series 6。

“我們的工作非常有意義?！?/p>

近三年的工作中，有件事讓牛教授至今記憶猶新。蘋果手表的很多用戶對牛教授所參與研發(fā)的上述心電圖功能特別認可，發(fā)自內(nèi)心的認為Apple Watch挽救了他們的生命。這樣的契機下，這些用戶給蘋果CEO蒂姆·庫克(Tim Cook)發(fā)送電子郵件作為感謝信。而庫克也將感謝信轉(zhuǎn)發(fā)給了健康傳感部門里的每一位工程師。

“在蘋果工作不到三年的時間內(nèi)，我們大概收到了一兩百封感謝信，這讓我感到我們的工作意義重大，也明確了未來前進的方向和動力，”牛教授強調(diào)。

上面的故事引出了一些用戶飽受煎熬的痛點——無處不在的慢性病。能夠讓人們隨時隨地佩戴，在沒有感知的狀態(tài)下能夠自行實行健康監(jiān)測，并且發(fā)現(xiàn)不為人們所察覺的慢性病，是可穿戴設(shè)備所能解決的真痛點。解決真痛點也是牛教授重回學(xué)術(shù)圈，在羅格斯大學(xué)開啟新型可穿戴設(shè)備研究的研究初心。

2、“小”問題：小問題也是大問題  

回憶起在蘋果的工作經(jīng)歷，蘋果的健康傳感部門需要解決Apple Watch大規(guī)模量產(chǎn)過程中產(chǎn)品的各種問題，包括：原型樣機的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、測試流程規(guī)范以及極端環(huán)境下的可靠性測試等。此外，量產(chǎn)前的人體測試也必不可少。

“我們把小問題當(dāng)作大問題重視，改進工藝、改進設(shè)計，”牛思淼教授回憶說。

“蘋果公司在開展測試的環(huán)節(jié)堅持一套非常規(guī)范的流程。大家態(tài)度嚴謹，嚴把硬件設(shè)計難關(guān)，細致打磨產(chǎn)品，對技術(shù)指標要求也是非常苛刻?！边@樣的健康研究方法論和技術(shù)指標嚴要求也成為了牛教授對自己課題組的要求。在羅格斯的研究工作中，牛教授始終在追求功能前沿性的同時盡力追求著研究成果產(chǎn)品級的可靠性，不放過任何一個“小”問題。

3、新領(lǐng)域：柔性可穿戴設(shè)備  

在離開蘋果公司后，牛思淼教授開啟了全新的柔性可穿戴健康設(shè)備的研究。相比于智能手表這種硬質(zhì)設(shè)備，牛教授實驗室所研究的新型柔性可穿戴健康設(shè)備擁有更好的貼合度與舒適性，功能上也更追求人性化。這樣的柔性可穿戴設(shè)備可以完美貼合人的身體肌膚，一方面面向未來的人機交互領(lǐng)域，另一方面也更能長久的解決很多疾病預(yù)警和慢病監(jiān)測問題。

牛教授關(guān)于身體網(wǎng)的研究對未來的可穿戴個人電子設(shè)備具有革新和啟發(fā)的重要作用。這項研究中牛教授使用金屬墨水將天線和傳感器打印到柔性貼片上，使其可以像創(chuàng)可貼一樣粘合在皮膚表面。貼片能夠無線發(fā)送健康數(shù)據(jù)并與夾在衣服里的閱讀器進行交互。通過將健康傳感器和貼片相結(jié)合，可以實現(xiàn)人體各個健康指標的監(jiān)測。這塊和人直接貼合的貼片不含任何芯片/電池，從而在方法上解構(gòu)了現(xiàn)階段的可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備，設(shè)計出了一條新的路線。這項研究以“A wireless body area sensor network based on stretchable passive tags”為題發(fā)表在了電子工程領(lǐng)域頂級期刊Nature Electronics上。

牛教授在可穿戴治療設(shè)備上也開展了前瞻性的研究，提出了一款擁有閉環(huán)電刺激治療功能的柔性智能創(chuàng)可貼?！拔议_發(fā)的智能創(chuàng)可貼產(chǎn)品可以無線收集能量，然后產(chǎn)生電信號刺激傷口。這款智能創(chuàng)可貼既能電刺激傷口幫助傷口愈合，還可以測量傷口阻抗，來實時監(jiān)控傷口的愈合狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)傷口愈合狀態(tài)不對，閉環(huán)反饋的算法可以進行自動調(diào)整，”牛教授介紹。

這款創(chuàng)可貼一經(jīng)提出就受到各界的廣泛關(guān)注，成為慢性傷口愈合領(lǐng)域非常重要的創(chuàng)新療法。應(yīng)用場景和創(chuàng)新療法的震撼之余，研究對于電擊后皮膚組織的轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究和電擊治療的分子學(xué)機制也擁有相當(dāng)大的推動作用。這項研究以“Wireless, closed-loop, smart bandage with integrated sensors and stimulators for advanced wound care and accelerated healing”為題發(fā)表在了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Nature Biotechnology上。

除了上面直接面向健康的功能性研究，牛教授對于可穿戴/植入式醫(yī)療器械的能量供給與管理也有著深入研究。牛教授設(shè)計了一套皮下可植入式柔性超聲能量收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)將摩擦納米發(fā)電機換能器和電源管理電路集成到單個柔性印刷電路板上，用于植入式設(shè)備的供電，用來解決其電池壽命的關(guān)鍵問題。這里，牛教授選擇超聲作為能量傳輸介質(zhì)，主要是因為超聲對于電磁波來說，人體吸收的能量更少、安全功率更大。所以，這款可植入的超聲能量收集器能夠潛在地收集到更多的能量，設(shè)置達到一到兩毫瓦的直流功率。這項研究以“An ultrasound-driven implantable wireless energy harvesting system using a triboelectric transducer”為題發(fā)表在了材料領(lǐng)域頂級期刊Matter上。

對于可穿戴健康領(lǐng)域的算法研究，牛教授也有獨到的見地。目前，學(xué)術(shù)主流研究經(jīng)常使用復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練可穿戴健康領(lǐng)域的疾病識別算法，但是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一個非常大的缺點是算法過于復(fù)雜，需要樣本量較大才能有效避免過擬合。而研發(fā)領(lǐng)域很難采集到足夠大的樣本量?！耙虼耍业难芯糠椒ㄊ菍颖具M行傳統(tǒng)的特征提取，然后用特征訓(xùn)練傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)算法。我的研究很少用復(fù)雜的算法，這不僅是我們對準確度的追求，也是對可穿戴設(shè)備降低算法功耗的考量。”牛教授說。這種方法對特征提取要求較高，要求研究者擁有豐富的技術(shù)沉淀，對信號處理，生物醫(yī)學(xué)都要有比較好的了解。這也是牛教授對自己研究團隊提出的高標準、嚴要求。

4、看未來：預(yù)測未來五年可穿戴領(lǐng)域新趨勢

當(dāng)我們對于可穿戴設(shè)備還停留在智能手表、智能手環(huán)、智能耳機等場景下的時候，可穿戴的研究人員們已經(jīng)提出了各種各樣的可穿戴解決方案。基于此，我們最后請教了牛思淼教授關(guān)于可穿戴技術(shù)的未來發(fā)展新趨勢的問題。

“可穿戴技術(shù)的未來我們還是要分硬質(zhì)設(shè)備和柔性設(shè)備兩方面來展望。其中，硬質(zhì)設(shè)備正朝著專業(yè)標準下的醫(yī)療功能邁進，目前行業(yè)內(nèi)無袖帶的血壓監(jiān)測方案和無創(chuàng)的血糖監(jiān)測方案都是研發(fā)的重點。柔性設(shè)備則更加激進的關(guān)注于本征柔性化的可穿戴技術(shù)開發(fā)，致力于構(gòu)建晶體管、集成電路層面的柔性系統(tǒng)?！迸＝淌谌缡钦f。

“此外，可穿戴設(shè)備的運動偽影消除、降噪、算法層面的信號處理與機器學(xué)習(xí)預(yù)測、功耗層面的低功耗優(yōu)化等，都將共同推動可穿戴技術(shù)的發(fā)展。這不是單一學(xué)科的突進，而是多學(xué)科多交叉領(lǐng)域，科學(xué)研究與工程實驗共同推進的周密工程?！迸＝淌谧詈笳f。