生物識(shí)別技術(shù)DIY：健身手環(huán)究竟能測(cè)些什么？

現(xiàn)在，健身手環(huán)逐漸成為受歡迎的禮物。在我個(gè)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(gè)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(gè)智能手表中的計(jì)步器和心臟監(jiān)測(cè)儀。這讓我不禁要問，為什么它們會(huì)如此地受到歡迎?

除了報(bào)時(shí)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(gè)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(dòng)層級(jí)。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(jiǎn)單計(jì)步器和心臟監(jiān)測(cè)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(duì)于那些想要保持活動(dòng)動(dòng)機(jī)的一般人而言，這好是好;但它有一個(gè)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(shí)，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(dòng)，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(dòng)機(jī)的度量指標(biāo)。

不過，不要誤會(huì)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(dòng)、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(jì)。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(shí)將他或她的身體“統(tǒng)計(jì)信息” 讀出給手機(jī)。這種統(tǒng)計(jì)信息是人們?cè)谏眢w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(duì)此并有沒有一個(gè)簡(jiǎn)單的答案。

所以我們究竟可以測(cè)量什么?我們可以得到什么樣的生物識(shí)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(duì)量測(cè)自己的身體有興趣 ，此一主題就會(huì)一直受到歡迎。

讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的開始 ：

心率(心電圖)

測(cè)量心率是一件相對(duì)容易的工作。在做心電圖的情況下，傳感器會(huì)放置在身體上，它會(huì)偵測(cè)當(dāng)心肌組織極化或去極化發(fā)生時(shí)由心臟所產(chǎn)生的電信號(hào)。這會(huì)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(cè)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(jì)劃。

運(yùn)動(dòng)

生物識(shí)別技術(shù)的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)技術(shù)與其他的感應(yīng)運(yùn)動(dòng)技術(shù)并沒有什么不同，通常都是采用加速度計(jì)來執(zhí)行。舊的或較便宜的計(jì)步器是機(jī)械式的，有一個(gè)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(jì)。該加速度計(jì)的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析，可用來檢測(cè)每一步伐的加速度配置文件(profile)，對(duì)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(duì)較小，價(jià)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(gè)人的總加速度所產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出一個(gè)“步伐”，是一件困難的事情。

高度

高度是另一種可以相對(duì)簡(jiǎn)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(dòng)時(shí)，它是一項(xiàng)重要的測(cè)量。它通常是利用氣壓計(jì)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(cè)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(cè)量“樓梯臺(tái)階”所采用的方法。這些器件會(huì)檢測(cè)一棟建筑物的一個(gè)樓層到另一個(gè)樓層的氣壓相對(duì)變化，而不是分析一個(gè)人爬樓梯時(shí)的加速度計(jì)運(yùn)動(dòng)配置文件而來檢測(cè)。這好是好，但如果使用者搭乘電梯時(shí)，或在罕見的情況下，搭乘云霄飛車時(shí)，就會(huì)有問題。

相對(duì)而言，這些指標(biāo)都還算簡(jiǎn)單。對(duì)一般人而言，市面上可以找到許多量測(cè)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(dòng)(肌電圖)

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

皮膚傳導(dǎo)(電活動(dòng))

皮膚傳導(dǎo)是皮膚的天性，讓它可以為了響應(yīng)一個(gè)刺激而變得更加或更不導(dǎo)電。一般情況下，愈容易被激動(dòng)的人，他的皮膚就會(huì)變得更具有導(dǎo)電性。因?yàn)榇艘辉?，皮膚傳導(dǎo)測(cè)試是測(cè)謊測(cè)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(shí)常會(huì)被量測(cè)到的現(xiàn)象。

第7級(jí)激動(dòng)(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(huì)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(jià)格低廉且易于進(jìn)行檢測(cè)的生物識(shí)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(shí)，這些血液會(huì)進(jìn)行許多化學(xué)層級(jí)和指針的測(cè)試，這可提供許多洞察生物識(shí)別的數(shù)據(jù)。這些血液會(huì)針對(duì)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(cè)試。當(dāng)在為健身活動(dòng)進(jìn)行選擇時(shí)，例如飲食、運(yùn)動(dòng)、和睡眠等，可持績(jī)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(cè)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(gè)全部測(cè)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(duì)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(gè)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(shí)，知道你對(duì)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(shí)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(shí)的消化分析(我也拒絕在Google上搜尋“自己動(dòng)手做大便分析”)。該測(cè)試是復(fù)雜的，且有點(diǎn)昂貴。也令人惡心。但是，有一個(gè)新的計(jì)劃項(xiàng)目，它與23andme DNA計(jì)劃類似，可針對(duì)微生物分析你個(gè)人的“消化樣本”，并寄會(huì)一份有關(guān)你個(gè)人生態(tài)系統(tǒng)的報(bào)告給你。但這離要從手表讀數(shù)讀出仍然是一段很長(zhǎng)要走的路。

呼吸效率

呼吸效率測(cè)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(huì)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(cè)。從理論上講，一名要執(zhí)行此測(cè)試人員所全部需要的就是一個(gè)二氧化碳傳感器和一個(gè)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(cè)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(cè)到就OK了。我們需要精確地測(cè)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(huì)進(jìn)行最大攝取氧氣量的測(cè)試。這會(huì)測(cè)量呼吸及在進(jìn)行活動(dòng)時(shí)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(gè)消費(fèi)者版本的VO2max機(jī)器，但它并不便宜，當(dāng)然，對(duì)于DIY的生物識(shí)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(shí)隨地戴著一個(gè)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(shí)別技術(shù)是現(xiàn)今DIY電子界的一個(gè)熱門話題。為測(cè)量心率、肌肉活動(dòng)、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(shí)的測(cè)量到手機(jī)上的“統(tǒng)計(jì)板”，并不是一件太困難的工作。雖然我們未必能測(cè)量到所有身體所產(chǎn)生的有用的生物識(shí)別信息，但我們目前能夠自我測(cè)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(cè)量。我想，這已經(jīng)是很大的進(jìn)步了。