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撰稿 | 王瑞平
据多家国外媒体爆料，苹果公司将在自家举办的WWDC 2023大会上大概率发布xrOS系统以及Reality Pro MR头戴设备。这可能是苹果公司继Apple Watch和AirPods后推出的全新可穿戴产品线。随之将引爆新一轮的可穿戴产品热潮。
本着对可穿戴技术的好奇，51CTO技术栈采访了可穿戴技术领域专家，美国罗格斯大学生物工程系的牛思淼教授，邀请牛教授探讨可穿戴技术的前沿内容和发展趋势。
牛思淼教授在可穿戴技术领域深耕多年。在罗格斯大学任教前，牛教授曾在苹果公司健康传感和科技部门担任研发工程师，先后参与过Apple Watch的心电图、温度传感器等重要功能的研发。时至今日，牛教授不仅在学术领域成果颇丰，还亲身亲历了Apple Watch从设计、研发、测试到投入市场的全过程。牛教授在可穿戴领域的学术研究和产业研发沉淀可谓相当深厚。
“完成斯坦福大学博士后的研究工作，我进行了详细的职业规划。彼时，我所从事的科研偏向于应用技术研究，了解工业界电子设备最领先的技术是很有必要的。苹果公司也是业界的领头羊。因此，我决定加入苹果公司，投身于产业一线的硬件设备研发工作。”牛思淼回忆说。
“加入苹果公司这个职业规划对我未来的发展会更有好处。说到底，我的长远目标是成为一名教授进行最前沿的学术研究。这几年的公司工作经历能够拓宽我的视野，对我接下来的研究工作帮助很大。”牛思淼补充道。
“相比于在苹果所参与的具体研究项目，苹果内部所传递的硬件研究态度，尤其是服务于无处不在的真痛点、解决掉大有意义的小问题，对我未来在可穿戴领域的前沿学术研究有举足轻重的意义。”
这次专访，牛教授讲述了他在苹果公司的研发经历和他现阶段从事的柔性可穿戴技术研究。
1、真痛点：库克的感谢信
加入苹果后牛思淼教授参与的第一个研究是苹果手表心电图测试功能，搭载此功能的产品于2020年9月16日发布，并于2020年9月20日正式开售，即Apple Watch Series 6。
“我们的工作非常有意义。”
近三年的工作中，有件事让牛教授至今记忆犹新。苹果手表的很多用户对牛教授所参与研发的上述心电图功能特别认可，发自内心的认为Apple Watch挽救了他们的生命。这样的契机下，这些用户给苹果CEO蒂姆·库克(Tim Cook)发送电子邮件作为感谢信。而库克也将感谢信转发给了健康传感部门里的每一位工程师。
“在苹果工作不到三年的时间内，我们大概收到了一两百封感谢信，这让我感到我们的工作意义重大，也明确了未来前进的方向和动力，”牛教授强调。
上面的故事引出了一些用户饱受煎熬的痛点——无处不在的慢性病。能够让人们随时随地佩戴，在没有感知的状态下能够自行实行健康监测，并且发现不为人们所察觉的慢性病，是可穿戴设备所能解决的真痛点。解决真痛点也是牛教授重回学术圈，在罗格斯大学开启新型可穿戴设备研究的研究初心。
2、“小”问题：小问题也是大问题
回忆起在苹果的工作经历，苹果的健康传感部门需要解决Apple Watch大规模量产过程中产品的各种问题，包括：原型样机的硬件设计、软件设计、测试流程规范以及极端环境下的可靠性测试等。此外，量产前的人体测试也必不可少。
“我们把小问题当作大问题重视，改进工艺、改进设计，”牛思淼教授回忆说。
“苹果公司在开展测试的环节坚持一套非常规范的流程。大家态度严谨，严把硬件设计难关，细致打磨产品，对技术指标要求也是非常苛刻。”这样的健康研究方法论和技术指标严要求也成为了牛教授对自己课题组的要求。在罗格斯的研究工作中，牛教授始终在追求功能前沿性的同时尽力追求着研究成果产品级的可靠性，不放过任何一个“小”问题。
3、新领域：柔性可穿戴设备
在离开苹果公司后，牛思淼教授开启了全新的柔性可穿戴健康设备的研究。相比于智能手表这种硬质设备，牛教授实验室所研究的新型柔性可穿戴健康设备拥有更好的贴合度与舒适性，功能上也更追求人性化。这样的柔性可穿戴设备可以完美贴合人的身体肌肤，一方面面向未来的人机交互领域，另一方面也更能长久的解决很多疾病预警和慢病监测问题。
牛教授关于身体网的研究对未来的可穿戴个人电子设备具有革新和启发的重要作用。这项研究中牛教授使用金属墨水将天线和传感器打印到柔性贴片上，使其可以像创可贴一样粘合在皮肤表面。贴片能够无线发送健康数据并与夹在衣服里的阅读器进行交互。通过将健康传感器和贴片相结合，可以实现人体各个健康指标的监测。这块和人直接贴合的贴片不含任何芯片/电池，从而在方法上解构了现阶段的可穿戴健康监测设备，设计出了一条新的路线。这项研究以“A wireless body area sensor network based on stretchable passive tags”为题发表在了电子工程领域顶级期刊Nature Electronics上。
牛教授在可穿戴治疗设备上也开展了前瞻性的研究，提出了一款拥有闭环电刺激治疗功能的柔性智能创可贴。“我开发的智能创可贴产品可以无线收集能量，然后产生电信号刺激伤口。这款智能创可贴既能电刺激伤口帮助伤口愈合，还可以测量伤口阻抗，来实时监控伤口的愈合状态。如果发现伤口愈合状态不对，闭环反馈的算法可以进行自动调整，”牛教授介绍。
这款创可贴一经提出就受到各界的广泛关注，成为慢性伤口愈合领域非常重要的创新疗法。应用场景和创新疗法的震撼之余，研究对于电击后皮肤组织的转录组学研究和电击治疗的分子学机制也拥有相当大的推动作用。这项研究以“Wireless, closed-loop, smart bandage with integrated sensors and stimulators for advanced wound care and accelerated healing”为题发表在了生物医学领域顶级期刊Nature Biotechnology上。
除了上面直接面向健康的功能性研究，牛教授对于可穿戴/植入式医疗器械的能量供给与管理也有着深入研究。牛教授设计了一套皮下可植入式柔性超声能量收集系统。该系统将摩擦纳米发电机换能器和电源管理电路集成到单个柔性印刷电路板上，用于植入式设备的供电，用来解决其电池寿命的关键问题。这里，牛教授选择超声作为能量传输介质，主要是因为超声对于电磁波来说，人体吸收的能量更少、安全功率更大。所以，这款可植入的超声能量收集器能够潜在地收集到更多的能量，设置达到一到两毫瓦的直流功率。这项研究以“An ultrasound-driven implantable wireless energy harvesting system using a triboelectric transducer”为题发表在了材料领域顶级期刊Matter上。
对于可穿戴健康领域的算法研究，牛教授也有独到的见地。目前，学术主流研究经常使用复杂的神经网络训练可穿戴健康领域的疾病识别算法，但是，神经网络一个非常大的缺点是算法过于复杂，需要样本量较大才能有效避免过拟合。而研发领域很难采集到足够大的样本量。“因此，我的研究方法是对样本进行传统的特征提取，然后用特征训练传统的机器学习算法。我的研究很少用复杂的算法，这不仅是我们对准确度的追求，也是对可穿戴设备降低算法功耗的考量。”牛教授说。这种方法对特征提取要求较高，要求研究者拥有丰富的技术沉淀，对信号处理，生物医学都要有比较好的了解。这也是牛教授对自己研究团队提出的高标准、严要求。
4、看未来：预测未来五年可穿戴领域新趋势
当我们对于可穿戴设备还停留在智能手表、智能手环、智能耳机等场景下的时候，可穿戴的研究人员们已经提出了各种各样的可穿戴解决方案。基于此，我们最后请教了牛思淼教授关于可穿戴技术的未来发展新趋势的问题。
“可穿戴技术的未来我们还是要分硬质设备和柔性设备两方面来展望。其中，硬质设备正朝着专业标准下的医疗功能迈进，目前行业内无袖带的血压监测方案和无创的血糖监测方案都是研发的重点。柔性设备则更加激进的关注于本征柔性化的可穿戴技术开发，致力于构建晶体管、集成电路层面的柔性系统。”牛教授如是说。
“此外，可穿戴设备的运动伪影消除、降噪、算法层面的信号处理与机器学习预测、功耗层面的低功耗优化等，都将共同推动可穿戴技术的发展。这不是单一学科的突进，而是多学科多交叉领域，科学研究与工程实验共同推进的周密工程。”牛教授最后说。
