「穿戴式裝置技術發展趨勢」談參資料

2018-07-05
圖一、中場無線傳輸技術 ▲圖一、中場無線傳輸技術

一、穿戴裝置的產業與範疇
2013年為穿戴式裝置元年,至此之後穿戴式裝置逐漸為國人熟知,隨著科技進步與成熟,全球各大科技、軟體、電腦與手機大廠,如Google、Apple、Sony、HTC、ASUS、華為紛紛加入穿戴式裝置的研發,市場主流商品如智慧手錶與智慧腕帶(手環)等產品推陳出新,功能越來越多元,價格亦隨著產品多元與普及日趨親民,對於穿戴式裝置的應用與想像空間仍非常廣泛。

  無線健康、健身設備(Wireless Health and Fitness Devices)在健康照護應用市場快速竄起,其產品可分為運動與健身、遠距健康監控管理以及專業醫療設備等三大區塊。在運動與健身方面主要為活動與情感的監控,產品包含計步器、心率監測、活動監控、戶外活動追蹤、cycle computers、跑步和運動運算、智能眼鏡、智能手錶、智能服裝和睡眠感測等設備;遠距健康監控管理為替患有慢性疾病之家中長者的居家活動監測(off-site monitoring),其功能在收集人體之生命徵象(Vital sign),產品包含血壓計、ECG(Electrocardiography;心電圖)、助聽器、血糖計、監測貼片等;專業醫療設備部分則使用於醫院內部,監控病患生理參數的無線設備(on-site monitoring),產品包括即時ECG、連續血糖監測器、血氧飽和濃度計、藥物傳輸和血壓監測等。不同於運動和健身設備,遠距健康監控管理與專業醫療設備必須符合醫療器材法規規範認證許可後才始販售。

二、穿戴裝置技術發展的挑戰-電池續航力
石墨烯―穿戴式技術目前正如火如荼地應用在各個領域中,近年來紡織品中開發嵌入式導電紗應用於穿戴式設備成果逐漸成形。近期一個來自英國Exeter大學的研究團隊使用了石墨烯(graphene)來創造出第一個真正的電子織物。石墨烯僅有一個碳原子厚度,且具有導電性、可撓性,成為目前世界上最薄、最堅固的材料之一。該研究團隊利用化學氣相沉積法(chemical vapour deposition)來將透明、可撓的石墨烯嵌入紡織業常用的纖維當中,由於「單層石墨烯」具有優異的電氣、機械及光學性能,預期將為穿戴裝置帶來輕量、堅固耐用以及易於傳輸的優勢。未來可能的運用的範圍將包括紡織GPS系統、生物醫學監測、人身安全監測等應用。

  中場無線傳輸技術―當前所使用的植入裝置如心臟起搏器,均盡量採用長壽命的電池,但還是無法避免對它透過手術來進行電池更換的動作。而近場無線充電技術,則需要放置靠近於皮膚處來進行無線充電,因此侷限了植入式裝置的使用範圍。由於無線充電技術的突破,未來可以允許將穿戴式裝置植入於身體深層器官,如肝臟、心臟甚至大腦來追蹤身體內部健康狀況,這些都將仰賴中場無線傳輸 (mid-field wireless transfer) 技術的開發。其作用機制只需要將信用卡般大小的裝置放置於體外,即可安全地發射功率為體內微型電子設備例如傳感器、心臟起搏器或神經刺激系統等提供電力,在效率上明顯超過目前所使用的近場系統。由於有別傳統的傳遞方式,新的傳輸方式讓這些穿戴裝置在設計上盡可能的縮小,並可深入到身體深處,創造新的治療方法來減輕病患的痛苦。此技術也帶動「electroceutical」電子藥品裝置開發之可能性,利用電流來治療疾病或減輕疼痛,例如需要長期藥物治療的帕金森氏症,透過此設備來刺激腦部深層部位以控制顫抖的情形發生。

資料來源:Standford;工研院IEK整理(2017)

圖一、中場無線傳輸技術


皮膚摩擦發電―新加坡大學的研究團隊把人體的皮膚當作其中一個電荷收集器,利用身體肌肉移動造成的摩擦力來產生電力,希望能提供電源給醫療植入物及其他電子元件作為充電之用。以皮膚作為摩擦靜電材料時較容易放出電子,因此在選擇另一摩擦材質時則需選擇易吸收電子的材料來提升效能,研究團隊選擇柱狀結構的可撓性矽橡膠層,其柱狀結構能增加與皮膚接觸的面積,可提升摩擦生電的能力,而矽橡膠層具有極佳的電絕緣特性使其利於摩擦時暫存電荷,團隊並在其下方加上50奈米厚的金膜來當作電極。在測試過程中,研究團隊將裝置放置於受試者的前臂及咽喉處,並將柱狀結構朝向皮膚,當受試者拳頭握緊、講話時,則分別能產生7.3伏特及7.5伏特的電力。整體而言,該裝置尺寸如郵票大小,具可撓性,功率足以為小型電子產品提供電力,因此可預見未來的穿戴式裝置可能不再需要另外裝上電池,只需仰賴配戴者日常生活中的動作即可為穿戴式裝置提供足夠的電力。

資料來源:IEEE Spectrum;工研院IEK整理(2017)
圖二、可撓性的發電裝置
鈮奈米線―近幾年間,許多科學家希望透過奈米碳管或石墨烯來改善電池功效,然而麻省理工學院的研究團隊卻有另一種看法,他們開發鈮(Niobium)奈米線當作超級電容的電極,希望藉由超級電容具高功率密度、高續航力且充放電速度比傳統電池快上數百倍的特性來開發快速充電且蓄電力大的電池。鈮(Niobium)是一種被廣泛運用的材料,價格低廉且易於製造,其導電度優於奈米碳管百倍以上又能儲存五倍以上的電量。鈮具有高熔點特性,對於高溫穩定性佳,因此適用於穿戴式裝置。另外,鈮奈米線可以讓電池體積縮小約30%,將有利於穿戴裝置微型化設計;而鈮奈米線還具有可撓特性,未來還可朝織物型穿戴裝置發展,目前研究團隊希望可以將電池的製程縮短,以利推廣到實際運用。
三、一般消費市場中的主流穿戴產品-運動與健身


 
資料來源:IDTechEx;工研院IEK整理(2018)
圖三、穿戴式裝置於消費市場中之受關注程度
自2013年起穿戴裝置進入百花爭鳴的時代,在一般的消費市場中,穿戴式裝置市場仍以智慧手錶與智慧腕帶(手環)兩種商品為主流,其應用技術成熟且一般消費者可輕易購得,絕大多數人對於穿戴式裝置的認識也來自於此。

  更進一步將其細分,依照功能與不同消費者訴求可分為:(1)運動用GPS定位手錶;(2)運動用生理數值智慧手錶,常搭配心率(跳)感測帶;(3)一般用健康管理用智慧手錶與腕帶(手環) (4)PDA型智慧手錶。上述分類並非絕對,隨著科技的進步,兼具多功能的穿戴式裝置推陳出新,如三鐵運動員專用的「三鐵錶」即同時有GPS定位地圖與生理數值監測;發展定位系統起家同時也是運動智慧手錶先驅的Garmin即有多款多功能運動智慧手錶,其商品分為全民跑者、專業跑者與頂尖跑者三個等級的智慧手錶,有趣的是,Garmin近期推出的高階運動智慧手錶產品,也主打著簡訊、電子郵件、行事曆、社群通知等PDA功能,足見其商品研發策略改變。健康意識抬頭,臺灣近年吹起馬拉松與戶外運動風潮,都會區也不例外,因此強調個人生活風格兼顧運動時尚潮流的也影響穿戴式裝置的發展,如Samsung的智慧腕錶系列即強調潮流時尚,其功能涵蓋心率監測、計步、運動模式、個人健康管理、個人PDA功能,收電子郵件與社群通知等,除了文字輸入功能外,幾乎涵蓋智慧型手機功能,其與Apple推出的Apple watch的較勁意味十足,除原本就致力於運動智慧穿戴裝置研發的Tom Tom、Garmin、fitbit與Polar之外,其他新投入穿戴市場的國際知名大廠如Google、Sony、HTC、華為、小米、EPSON等,持續的投入大量研發,穿戴式裝置大戰已白熱化。

四、台灣穿戴裝置未來的發展與挑戰
台灣穿戴式裝置之產品技術、軟硬體環境、消費者接受度與需求等因素皆已到位,隨著國人健康意識高漲,高齡社會的來臨持續影響未來新科技產品的發展與應用,從市面上各品牌的穿戴式裝置多強調有個人健康管理、睡眠及飲食管理的功能即可看出發展趨勢,未來更朝向居家照護與行動醫療發展及應用,僅管技術上仍有許多要克服的問題,如室內定位系統(Indoor Position System)的技術應用尚未成熟,但隨著科技的日新月異,技術上的困難逐漸被克服。

  台灣已於2018年四月正式進入高齡社會,針對高齡者的穿戴產品與相關服務的推陳出新,目前已有廠商正在針對樂齡銀髮研發專屬的穿戴式裝置,但真正的問題並不在技術,而是在使用者身體感受與心理狀態。穿戴式裝置因為需要偵測與感應,需要較「貼身」,例如傳統的心率(跳)感測帶需繫於胸口下緣,對女性不甚方便,由於其原理是靠電子感測,使用前需以水沾濕心率帶兩側感應區,對於中高齡族群而言穿戴上並不舒適,亦不適合長時間配戴,近年已有透過光學感測技術,以腕帶的方式即可偵測脈搏,但由於技術門檻高,針測準確性與商品單價高讓許多消費者望之卻步,目前光學針測脈搏技術較適用於長時間穩定之有氧運動,因此商品還未真正平價化與普及化。

  個人隱私為穿戴裝置在開發系統整合平台時必須審慎納入的因素,在物聯網(IoT)時代中,透過穿戴式裝置應用與普及是人類生活達到智慧生活的重要一環,然而在這個龐大複雜的資訊體系中,隱私與安全性為物聯網時代面臨最大的挑戰。沒有人願意將自己的生理數據、隱疾與病痛讓別人知道,以中高齡族群為例,對於社會歷練豐富,從人生戰場退休的樂齡銀髮族,有較高的自尊心年長者們,年紀漸大後慢性病與身體病痛等老人病在所難免,未來的穿戴裝置縱使方便,但在雲端與萬物連網的世界,任何電子載具皆可上網或透過各種方式進行數據傳輸,如何在快速方便的物聯網時代中,確保個人隱私資訊管理與儲存,是在新產品的研發與消費者使用穿戴式裝置時需注意到的關鍵。
 

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