生物識別技術(shù)DIY：健身手環(huán)究竟能測些什么？

現(xiàn)在，健身手環(huán)逐漸成為受歡迎的禮物。在我個人選禮送禮的過程中，我深入地去研究了這些健身手環(huán)，看廠商所炒作的是什么議題。而我發(fā)現(xiàn)到，它們基本上是一個把已經(jīng)存在幾十年的技術(shù)重新包裝再上市的產(chǎn)品：一個智能手表中的計步器和心臟監(jiān)測儀。這讓我不禁要問，為什么它們會如此地受到歡迎?

除了報時之外，健身手環(huán)可為你做一切的事情(圖片來源：brookstone.com)。

我想出了兩個答案，第一是手機(jī)的應(yīng)用程序(app)。消費(fèi)者希望具有一種能力，可以以一種方便而有吸引力的方式來追蹤和記錄他們的活動層級。其次是不像舊有的技術(shù)，這些手環(huán)通常能夠?yàn)橄M(fèi)者帶來某種度量指標(biāo)，而這是一款簡單計步器和心臟監(jiān)測儀所無法做到的;卡路里的熱量、所爬的樓梯數(shù)目、“整體的健康”，等等。對于那些想要保持活動動機(jī)的一般人而言，這好是好;但它有一個很大的缺點(diǎn)：如果消費(fèi)者所做的事情并不是日常的行走和爬樓梯等時，那這些器件就無法準(zhǔn)確追蹤配帶它的人的“健身”狀態(tài)。換句話說，如果你去健身房和運(yùn)動，健身手環(huán)就無法為使用者準(zhǔn)確地追蹤其所需要為維持動機(jī)的度量指標(biāo)。

不過，不要誤會我的意思，我并不是說這些健身手環(huán)是一種壞的產(chǎn)品或是愚蠢的產(chǎn)品。在我看來，任何可促使人們更加積極運(yùn)動、身體更健康的產(chǎn)品，都是好事。但是，這讓我想到一種理論上“真正的”健身計。要開發(fā)出一種消費(fèi)者愿意穿戴的產(chǎn)品，它需要什么?以一只手表的大小尺寸來說，它要能夠隨時將他或她的身體“統(tǒng)計信息” 讀出給手機(jī)。這種統(tǒng)計信息是人們在身體檢查之后可從醫(yī)生手中收到的資料，它包含著血液成分、呼吸效率等。直到現(xiàn)在，對此并有沒有一個簡單的答案。

所以我們究竟可以測量什么?我們可以得到什么樣的生物識別技術(shù)?我們又可以如何利用這些信息?這正是目前DIY電子社群的一項(xiàng)很受歡迎的主題，只要消費(fèi)者對量測自己的身體有興趣 ，此一主題就會一直受到歡迎。

讓我們從一個簡單的開始 ：

心率(心電圖)

測量心率是一件相對容易的工作。在做心電圖的情況下，傳感器會放置在身體上，它會偵測當(dāng)心肌組織極化或去極化發(fā)生時由心臟所產(chǎn)生的電信號。這會應(yīng)用在polar heart-rate chest band，而這種chest band可與DIY的電子產(chǎn)品介接。也可以光學(xué)的方式來感測心率，一般的作法是將光學(xué)傳感器置于指尖之上。

這些傳感器很便宜，也小得足以塞進(jìn)手表中。以心率作為輸入可以產(chǎn)生很多有趣的計劃。

運(yùn)動

生物識別技術(shù)的運(yùn)動感應(yīng)技術(shù)與其他的感應(yīng)運(yùn)動技術(shù)并沒有什么不同，通常都是采用加速度計來執(zhí)行。舊的或較便宜的計步器是機(jī)械式的，有一個與每一步伐力量相接觸的鐘擺或加重之簧片開關(guān)，但在健身手環(huán)的情況下，采用的則是加速度計。該加速度計的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析，可用來檢測每一步伐的加速度配置文件(profile)，對于擁有雙足的我們?nèi)祟悂碚f，此一速度配置文件是一致的。這種傳感器相對較小，價格也便宜，而工程困難的部份則是落在加速度數(shù)據(jù)的分析。要從一個人的總加速度所產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出一個“步伐”，是一件困難的事情。

高度

高度是另一種可以相對簡單地獲得的度量指標(biāo)。雖然技術(shù)上它并不是一項(xiàng)生物指標(biāo)，但在分析活動時，它是一項(xiàng)重要的測量。它通常是利用氣壓計來感應(yīng)。隨著高度的增加，空氣壓力減小，氣壓傳感器很容易地就可檢測到這種的變化，且準(zhǔn)確度驚人。這是大多數(shù)商用健身手環(huán)測量“樓梯臺階”所采用的方法。這些器件會檢測一棟建筑物的一個樓層到另一個樓層的氣壓相對變化，而不是分析一個人爬樓梯時的加速度計運(yùn)動配置文件而來檢測。這好是好，但如果使用者搭乘電梯時，或在罕見的情況下，搭乘云霄飛車時，就會有問題。

相對而言，這些指標(biāo)都還算簡單。對一般人而言，市面上可以找到許多量測這些指標(biāo)的設(shè)備，且可輕易地獲得。

讓我們深入地去探索一些比較專業(yè)的指標(biāo)：

肌肉活動(肌電圖)

肌電圖(electromyography，EMG)是一種用來檢測由骨骼肌所產(chǎn)生的電活動的技術(shù)。它借著測量由肌肉纖維所產(chǎn)生的電勢來檢測肌肉活動。肌肉愈收縮，所產(chǎn)生的電位就愈高。因?yàn)樵谑軠y的情況下，受損的肌肉會生產(chǎn)非標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果，所以肌電圖通常會用來診斷肌肉的疾病。 從生物識別技術(shù)DIY的角度來看，它是一種可用來檢測肌肉是否被用到之簡單方法。對一些有趣的生物反饋計劃而言，肌電圖是一條快速的快捷方式，例如Advancer Technologies的這個計劃(http://www.instructables.com/id/Muscle-EMG-Sensor-for-a-Microcontroller/)。

皮膚傳導(dǎo)(電活動)

皮膚傳導(dǎo)是皮膚的天性，讓它可以為了響應(yīng)一個刺激而變得更加或更不導(dǎo)電。一般情況下，愈容易被激動的人，他的皮膚就會變得更具有導(dǎo)電性。因?yàn)榇艘辉?，皮膚傳導(dǎo)測試是測謊測試中常用的因子之一。而這也是在使用Dianetics E-meter(http://en.wikipedia.org/wiki/E-meter)時常會被量測到的現(xiàn)象。

第7級激動(圖片來源：wikipedia.org )。

皮膚傳導(dǎo)是一種自律的特質(zhì)，意味著它是不受意志控制的，且會根據(jù)身體的狀態(tài)而產(chǎn)生變化。 壓力愈大，皮膚傳導(dǎo)就愈高。它是另一種價格低廉且易于進(jìn)行檢測的生物識別技術(shù)，所以我們也將把它塞進(jìn)我們理論上的手表中。

現(xiàn)在我們開始探討手表中近乎不可能的(nearly-impossible-in-a-wristwatch)指標(biāo)：

血液化學(xué)檢驗(yàn)

當(dāng)你在醫(yī)生的辦公室把血液交給醫(yī)生時，這些血液會進(jìn)行許多化學(xué)層級和指針的測試，這可提供許多洞察生物識別的數(shù)據(jù)。這些血液會針對化學(xué)范圍、細(xì)胞數(shù)目、細(xì)胞體積、型式、和任意數(shù)量的異常而進(jìn)行測試。當(dāng)在為健身活動進(jìn)行選擇時，例如飲食、運(yùn)動、和睡眠等，可持績性地利用到血液化學(xué)數(shù)據(jù)將是非常得心應(yīng)手的。不幸的是，為了執(zhí)行這樣的血液測試工作，需要血液。而這不并好玩。更不用說要執(zhí)行這樣一個全部測試的完整實(shí)驗(yàn)室。要把所有這些工作都塞進(jìn)手表中，是太多了;然而還有一線希望，現(xiàn)代的科學(xué)正在開發(fā)能夠做到這一點(diǎn)的方法。它并不便宜，也不完整，對DIY的人而言，它也不是在手邊可用的，但它卻是邁出的一步。

這是一個植入設(shè)備的原型，可用來檢查血液化學(xué)(圖片來源：gizmag.com )。

消化系統(tǒng)分析

當(dāng)進(jìn)行飲食選擇時，知道你對某些類型食物的消化能力有多好，或你在某些飲食區(qū)是有缺陷的，是有好處的。胃腸道中細(xì)菌的層次和類型可以產(chǎn)生有關(guān)當(dāng)事人整體健康的豐富信息。不幸的是，這就是生物識別技術(shù)讓人有點(diǎn)......不舒服的地方。分析消化的最好方式是分析排泄物樣品中未被消化的是那一部份。因?yàn)榇艘辉?，?jù)我所知，沒有人以DIY的方式在做及時的消化分析(我也拒絕在Google上搜尋“自己動手做大便分析”)。該測試是復(fù)雜的，且有點(diǎn)昂貴。也令人惡心。但是，有一個新的計劃項(xiàng)目，它與23andme DNA計劃類似，可針對微生物分析你個人的“消化樣本”，并寄會一份有關(guān)你個人生態(tài)系統(tǒng)的報告給你。但這離要從手表讀數(shù)讀出仍然是一段很長要走的路。

呼吸效率

呼吸效率測試可告訴你進(jìn)入你肺部氧氣的轉(zhuǎn)換情況。實(shí)際的度量指標(biāo)會用來分析二氧化碳和一口氣所消耗氧氣之間的比率。它是整體呼吸系統(tǒng)健康的一項(xiàng)量測。從理論上講，一名要執(zhí)行此測試人員所全部需要的就是一個二氧化碳傳感器和一個氧氣傳感器，一般的DIY電子愛好者都可輕易找到這樣的產(chǎn)品。要檢測出CO2和O2是否存在，是很容易的一件事。不過，健康檢查可不是只要檢測到就OK了。我們需要精確地測量，于是，這就不是一回事了。當(dāng)你要進(jìn)行健康檢查，醫(yī)生可能會進(jìn)行最大攝取氧氣量的測試。這會測量呼吸及在進(jìn)行活動時的O2和CO2含量。它看起來像這樣：

把它加進(jìn)到手表(圖片來源：wikipedia.org)。

消費(fèi)者可以買到一個消費(fèi)者版本的VO2max機(jī)器，但它并不便宜，當(dāng)然，對于DIY的生物識別電子愛好者也不是很方便。另外，為了獲得連續(xù)不斷的讀數(shù)，你將要隨時隨地戴著一個既大且看起來像傻瓜的面具。因此，這就不在我們手表的考慮之列。

生物識別技術(shù)是現(xiàn)今DIY電子界的一個熱門話題。為測量心率、肌肉活動、和皮膚傳導(dǎo)所量身定做的開發(fā)板也已經(jīng)有了(比如Bitalino)，并且能夠用較低的成本來執(zhí)行前述的功能。

要讓這塊開發(fā)板直接傳送及時的測量到手機(jī)上的“統(tǒng)計板”，并不是一件太困難的工作。雖然我們未必能測量到所有身體所產(chǎn)生的有用的生物識別信息，但我們目前能夠自我測量一些指標(biāo)，在過去，這些是只有坐在醫(yī)生的辦公室內(nèi)才能夠進(jìn)行的測量。我想，這已經(jīng)是很大的進(jìn)步了。