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人体:世界上最复杂的环境

时间:2019-03-26 作者:罗伯特·亨特利 阅读:
在本文,我们将介绍可穿戴设备是如何经受住我们身体严酷考验的,以及这些设计时如何快速调整,从而保证无论我们想去哪里或者需要去哪里,我们的技术都能与我们同在。

工程师的眼里人体是一项杰作,它可以承受瞬间升高的温度、刺骨的寒风,可以暴露在水中,承受擦伤和剧烈运动。人类的身体适应了我们对于冒险的追求,适应了我们对在不断变化的气候和环境中生存的渴望。L2iEETC-电子工程专辑

无论什么样的冒险者——无论他是超级马拉松运动员、高山攀登者,还是石油钻井平台上的工作的深海潜水员——人类的努力无不令人惊叹。通过人类的思维我们发明了一系列技术来支持我们每一步的行动,拯救生命,利用我们所知的可穿戴设备来每时每刻的监控我们的身体状况。L2iEETC-电子工程专辑

在本文中我们将介绍可穿戴设备是如何经受住我们身体严酷考验的,以及这些设计时如何快速调整,从而保证无论我们想去哪里或者需要去哪里,我们的技术都能与我们同在。L2iEETC-电子工程专辑

可穿戴技术的发展史

尽管科技在过去20年间飞速发展,但可穿戴技术的发展要比大家想象的要早得多,比如眼镜是在1286年发明的。维多利亚人(以爱发明著称)在19世纪设计了一顶装有空调的大礼帽,还在1890年设计了一件用电照明的连衣裙。但直到20世纪可穿戴技术才真正变得成熟。L2iEETC-电子工程专辑

飞利浦公司和李维斯公司在2000年合作创造了“ICD+”品牌,这是一款外套,内部设计了很多有线接口可以用来连接一系列的便携式电子设备。中央控制模块(CCM)连接所有设备,能够让穿戴者在手机、MP3以及耳机之间进行切换,从而控制它们各自的功能。在人体出汗的时候这件外套要能够经受住从内到外的温度变化,从而提供降温效果。在天气波动的时候外套也要能够感受温度的变化,虽然不太可能有人把这种产品推销给珠峰的登山者,但这样的设计才能确保产品既实用又时尚。L2iEETC-电子工程专辑

如今可穿戴设备已经无处不在,预计到2020年可穿戴设备的销量将超过1.7亿。每次我们将Fitbit智能手表戴在手腕上或者佩戴Apple Watch时,我们都在要求这项技术能跟随我们到任何地方,经受住我们所做的事情,在人类和电子工程史上从没涉及的地方发挥作用。设计师不仅要确保他们的设备能够正常工作,还要确保在极端环境下也能够正常运行。L2iEETC-电子工程专辑

干旱的地区

每个星期都有关于人类挑战极限的报道,在这个星球上没有什么比酷热和严寒更折磨人的了。加州的死亡之谷是世界上最热的地方,1913年温度甚至达到了56.7℃,这超出了人类生存的极限。现在该地区夏天经常保持的温度是47℃,但是我们人类决定挑战自己,在这一地区举办了被称为“世界上最艰难比赛”的恶水超级马拉松(Badwater Ultramarathon),这无疑不让人振奋,在这段217公里的赛程中很少有人能够跑完全程,记录上显示最快的选手在35小时内跑完了全程。令人惊讶的是在这30年的比赛中没有人在这条赛道上丧生,但是它仍然被视为耐力和生存能力的终极考验之一。L2iEETC-电子工程专辑

参赛的选手都有工作人员提供安全保障,提供水和医疗救援,跑步者不仅要在这种极端的挑战中生存下来,佩戴的技术也要过关,汗水、沙子、压力和酷热都为制造商提供了测试可穿戴设备的终极环境。同样科学家们将参赛者作为研究对象来了解人类耐力的极限——比如2008年的一项研究观察了运动员的水分循环。L2iEETC-电子工程专辑

从工业设计的角度来看,面临的挑战是保持可穿戴设备的形式和功能,使其不能够太重、体积不要太大、用户操作不复杂,而且能够很好的展现其用途。即使是步数计数器这样简单的任务,工程师也要确保设备屏幕在明亮的阳光下可以看得清,确保表带不会被灰尘颗粒侵蚀,确保按钮即使有汗水和污垢的情况下正常工作。一款复杂的电子可穿戴设备需要足够坚固,防止灰尘和汗水进入内部,要做到这些事情不能妨碍运动员的注意力。L2iEETC-电子工程专辑

日常工作

当然不仅仅是超级运动员会让他们的身体和设备承受压力,人们每天上下班都要佩戴可穿戴设备,行走一万步,每天都要和同事们在一起,这些都给他们的身体和可穿戴设备带来了压力。L2iEETC-电子工程专辑

想想看我们每天带着Fitbit智能手表洗碗或者上厕所后洗手,我们一天会把水溅到手上好多次,工程师们都会知道这一点,因此即使那些声称不完全防水的产品,我们也要努力创造一定程度的防水功能。L2iEETC-电子工程专辑

我们的香水、润肤水、护手霜和化妆品都会导致污垢积聚,影响可穿戴设备的传感器。把手伸进橱柜、接孩子或者用吸尘器打扫家务,这些都会让我们的手腕受到碰撞,也就会让我们的可穿戴设备受到震动。当我们进行体育运动,在一场网球比赛或健身课上挥汗如雨时,我们要确保健康追踪器要必须强健耐用才能够适应我们的生活方式。考虑到现在大多数健身追踪器都包括心率监测,让一个光电二极管探测器和发光二极管(LED)组件靠近身体时,没有灰尘和汗水是非常重要的,当然这只是工程师面临众多微小挑战之一。L2iEETC-电子工程专辑

我们的身体是一台极端的机器

那些在极端环境下工作的人需要依靠科技来保证安全并且监控他们的身体健康,空军飞行员、深海潜水员以及在阿拉斯加工作的科学家都会使用专门的设备,保证他们的身体能够在这些极端环境下生存,例如飞行员每天都会经历加速度和重力,这些因素都需要可穿戴设备来监测对身体的影响。L2iEETC-电子工程专辑

美国国家航空航天局(NASA)和军事研究人员确切地知道我们的器官能够承受多大的加速度,他们发现14g的横向加速度对于身体内部来说太大了,这些专家通过测试极限来确定人类耐力的极限。L2iEETC-电子工程专辑

例如作为正常的航空旅客我们仍然对我们的身体充满期待,我们的技术能够帮助我们应对几小时内不断变化的压力、温度和位置变化,让我们能够安全的从加利福尼亚旧金山飞到纽约。L2iEETC-电子工程专辑

虽然已经证明大多数人将无法承受高温(身体过热),在极端潮湿或60℃的环境中超过十分钟就可能造成死亡,此外因寒冷造成的死亡也很难划定,当一个人的身体温度下降到-21℃时就会死亡,但是需要多长时间达到这一点取决于几个因素,比如这个人是否习惯了很冷的环境等。L2iEETC-电子工程专辑

我们这些在最寒冷城市生活和工作的人,比如阿拉斯加的费尔班克斯,已经制定了应对机制,并且有基本的生活和工作保障设备。这里最低温度可达到-27℃,费尔班克斯的气候对人体和技术可靠性充满了挑战。电子设备在这种寒冷的气候条件下也很难正常工作:例如Fitbit智能手表的最低使用环境是-20°F,然而因为它与我们的身体紧密接触,所以这类电子设备的温度要比外面环境的温度要高一些。L2iEETC-电子工程专辑

为了让人们能够在这样极端的环境下工作和生活,工程师们设计了一系列的传感器用来监测穿戴者的体温,随时提醒佩戴者可能出现的任何危险变化,这些传感器被设计用于在最恶劣的环境下工作,保护可穿戴者的头部、手、身体和脚部的温度。L2iEETC-电子工程专辑

在一位电子工程师来看要让这些传感器蓬勃发展即使是可穿戴设备的电池也需要定制化设计,从而可以应对这些极端的温度,因为一些电池在低于-30℃的环境下会停止工作,大多数的LED显示屏也有特定的操作温度范围,这些组件都需要工程师们特别关注。当我们人类在更具挑战的环境中工作时,可穿戴设备的工程师也要做到随时对设备进行更新。L2iEETC-电子工程专辑

这些组件也有不同的消费版本,包括为远足者和登山者准备的保暖衣物(采用电池供电),确保他们在探险期间的舒适和安全。然而这些短途旅行者需要携带多块电池来保证温暖,如果必须是一次轻型的旅行,那么这些额外的设备可能就是负担!重要的是旅行结束后探险者一定要注意不要把所有的衣服和可穿戴设备都交给洗衣店,这种疏忽是厂商不愿看到的,网上有很多关于用户在不小心洗澡后想要恢复健康追踪器、智能手机和蓝牙耳机的建议。L2iEETC-电子工程专辑

我们人类在追求冒险的过程中,在征服地球上一些最不适宜居住的地方的过程中,似乎并没有表现出任何放慢脚步的迹象。运动员不断挑战人体极限,发现人类能够跑多快。能够跑多远,能够跳多高等,只有通过可穿戴技术的出现才能够通过不断反馈来监测这些活动。L2iEETC-电子工程专辑

体育领域的技术

在美式足球中技术的进步使得运动员的安全得到提高,锐步(Reebok)和科技公司MC10发布了一项创新技术,可以在比赛中测量球员被击中(或被拦截)的力量,这种监测可以让队医提前知道球员是否需要检查脑震荡,内置传感器可以承受很大的压力,同时确保职业运动员能够安全的继续比赛。L2iEETC-电子工程专辑

全球定位系统(GPS)追踪器可以安装在运动员的衣服中,从而可以实时提供美国国家橄榄球联盟(NFL)球员的速度、平衡、加速度和运动的相关信息,传感器还可以监测软组织受伤的早期迹象,为教练和医护人员提供实时信息,从而确保球员在发生更严重受伤之前被替换,这些传感器和设备必须是轻量型且不引人注目的,而且还要能够承受运动员在激烈的60分钟比赛中所经历的汗水、运动、冲击和摩擦的影响。L2iEETC-电子工程专辑

但是不仅仅是职业运动员要想采集这类信息,随着技术的突破还将会采集更多的信息,跑步爱好者现在可以在袜子和跑步鞋中安装传感器,作为跟踪他们跑步技术的最新方式。当连接到智能手机上时这些数据可以显示跑步者的脚是如何着地的,从而使他或她能够更具速度和身体安全作出一定的调整。此外还能够采集速度、距离等,人体工程学使跑步比以往任何时候都成为一门科学,通过设计这些传感器还可以让跑步者在人行道、小路和跑道上行走时追踪对脚步的冲击还有出汗的情况。L2iEETC-电子工程专辑

可穿戴设备的未来

那么可穿戴技术的未来在哪里呢?对于未来技术和消费者需求的判断并不总是那么完美,但是很明显我们对监测、记录和追踪我们每一个动作的需求并没有任何放缓的迹象,除了跟踪运动和体重的变化,未来有一天我们的训练设备会将运动转化为能量来驱动内部传感器,可以让我们的鞋子保持凉爽或者温暖,我们还可以戴上隐形眼镜,不用打开笔记本电脑就可以查看日历,安排每天的生活,无论人类未来走向何方,可以肯定的是可穿戴设备都是未来发展的趋势。L2iEETC-电子工程专辑

关键的几点:L2iEETC-电子工程专辑

1.     虽然不是传统意义上所说的恶劣环境,但是人体必需能够极端的温度、冲击和暴露在外面的环境中L2iEETC-电子工程专辑

2.     无论我们身处何处可穿戴设备中的敏感元件必须能够与我们身体所处的环境保持同步L2iEETC-电子工程专辑

3.     可穿戴设备迅速变得无处不在——健身带成为最受欢迎的设备,在我们锻炼期间和之后它会向我们展示体能、身体相关的统计数据L2iEETC-电子工程专辑

4.     作为人类我们可以在一些具有挑战性和极端的环境中生存,然而我们的身体会产生汗水、高负荷运动以及一些护肤品(防晒霜等)都会影响可穿戴设备的使用,如果没有考虑到这些方面可能会造成设备失灵L2iEETC-电子工程专辑

5.     在某些情况下人体也会保护可穿戴设备,比如设备工作的外部温度限制是-20℃,但是借助体温在-30℃环境下也可以正常工作。L2iEETC-电子工程专辑

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