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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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無線動態生理監測 滿足高齡社會所需

陳玉鳳

這兩年電子資訊產業界最熱門的話題,非穿戴式電子裝置莫屬,臺灣資通訊業者更將之視為另一波商機的希望所寄。工研院積極致力於穿戴式電子裝置各項核心技術的開發,創造出臺灣業者獨有的競爭優勢。

有鑑於近年來穿戴式電子裝置逐漸匯聚商機熱潮,工研院早已將穿戴式電子的核心技術規畫為研究重點,其中包括多軸慣性感測模組、手勢辨識追蹤模組、貼片式動態ECG監測模組,以及反射式動態血氧量測微系統等。這些技術能充分滿足一般大眾對於穿戴式電子裝置的期待,也就是動作感知、酷炫互動、隨身照護及健康管理等。

事實上,穿戴式電子的發展已將近20年,但應用領域在之前多集中於政府、軍用、貨運、交通及醫療保健等,與一般大眾生活有不小的距離,一直要到2009年,隨著各項相關技術的逐漸成熟及成本有所降低,穿戴式電子裝置才開始進入消費性應用,其中尤其以運動休閒類的穿戴裝置成長最為顯著。

定義穿戴式電子裝置的5大要件,分別為:必需是能穿戴的形式,因此植入人體內的裝置不算、具備運算處理核心、擁有軟體系統、可無線/有線連接網路,以及具有感測器(MEMS是主角)等。在此定義下,根據市場研究機構ABI Research預估,穿戴式電子產品2018年總產值將超過80億美元,出貨量將達到4.85億個,其中腕戴式產品為穿戴電子市場的出貨大宗,預估單一產值在2016年即占總市場產值比例超過32%,高達22億美元。

另一個足以說明穿戴裝置已是潮流所趨的明證,就是在消費電子趨勢前哨站的CES 2014展覽中,穿戴系統與智慧健康、智慧家庭、自動駕駛及3D列印並列為五大展出重點,且特別規劃 Fitness Tech、Digital Health、Wrist Revolution 三大專區,強調健康管理與腕戴革命。

「此外,大廠的動向也令人矚目,包括Intel及 Qualcomm都已宣布要將穿戴系統列入長期規畫中。」工研院南分院微系統中心的陳弘仁博士長期研究穿戴式裝置,對於產業動態涉入甚深,他目前同時擔任微系統暨奈米科技協會副秘書長。

人性化科技服務仍有距離

穿戴式裝置的話題在產業界及媒體上討論得沸沸揚揚,然而,環顧你周遭的親朋好友,即使是目前最普遍的消費性穿戴裝置──腕戴式手錶,擁有的人是否仍是少之又少?「這是因為目前的穿戴式裝置仍無法滿足消費者的期望,」陳弘仁一針見血地指出。

他分析人們對於智慧穿戴技術的深層期待,包括更自然的互動及操控、隨心所欲的資通訊服務、無處不在的隨身照護、時尚及酷炫虛榮的滿足,以及輕巧、無感、零手持等,綜觀目前市面上的穿戴式裝置,似乎離這些期望仍有些距離。

再者,目前鮮少有特別針對穿戴式裝置量身訂做的零組件,所以包括智慧腕錶在內的產品,多是沿用智慧型手機等行動裝置所使用的處理器、感測器等元件,當然就無法超越可攜式裝置的框架,進一步滿足穿戴式裝置對於耗電量、智慧功能及系統可靠度的更嚴苛要求,「試想,腕戴手錶要天天充電?手錶要和手機相連才能發揮功能?智慧衣沾到汗液就失效?消費者很難對這樣的產品買單。」陳弘仁說。

MEMS實現輕薄無感體驗

針對目前穿戴式電子裝置的種種為人詬病之處,工研院所研發的各項技術將能提供解決之道,且能夠進一步實現穿戴裝置理應提供的人性化科技服務。例如,微機電(MEMS)是微小化的科技,可使產品實現輕薄無感的穿戴體驗。在這個方面,微系統中心的亮眼成果之一,就是單一晶片九軸慣性感測元件,負責帶領微機電團隊的陳弘仁特別強調,「這是貨真價實的單晶片。」

也就是說,這個單晶片採用與現有慣性元件相容的製程平台,在同一平面上整合加速度計、角速度計及磁力計等,成功提供單一晶片多軸多功能的九軸感測元件(3軸加速計+3軸陀螺儀+3軸磁力計),這能降低封裝厚度179um(約20%)與組裝成本;感測元件晶片尺寸變小,所以可降低元件成本,此外,由於採用全電容式感測架構,可省去磁阻/Hall式感測讀取電路,因此能簡化電路架構,進一步節省電路成本、測試成本與時間。目前此方面相關技術已成功移轉國內知名類比IC業者。

微機電元件能實現穿戴式裝置的輕薄無感,工研院所開發的手勢辨識追蹤模組則能實現更自然的操控及互動。其中,「手指精準凌空觸控模組」可同時追蹤多指,誤差僅2.96mm~50cm,非單純揮動辨識,此技術適用於有衛生與安全考量,不宜讓手直接碰觸螢幕的控制系統。另一成果「雙影像式深度攝影機」,則採用創新的相對位置編碼估測技術及高效影像追蹤辨識技術,能克服主動光源技術無法應用於室外的限制。

動態生理監測滿足隨身照護需求

另外,針對目前穿戴式裝置最可能有所發揮的應用領域之一 ──醫療照護,工研院所開發的「貼片式動態ECG監測模組」則能實現隨身動態生理監控。此技術是將輕薄的軟性貼片貼附在人體胸腹間,藉以量測心電圖、體溫等生理訊號,目前已成功移轉予極星國際航電,極星國際航電副總經理魏楷振表示,「我們在既有的GPS追蹤技術基礎上,希望能進一步延伸跨入醫療照護領域,因此在2009年開始與工研院合作並成功技轉了動態監測貼片技術。」極星國際航電預計今年便能推出結合動態ECG貼片及掌上型無線心電圖機的產品。

「無線動態生理監測的最大問題就是雜訊太高,」魏楷振指出掌上型無線心電圖機的技術門檻,「工研院的技術成功克服這個問題。」透過工研院開發的嵌入式動態雜訊消除技術,以及即時心電圖訊號判讀技術,配戴者在走路、上下樓梯、起立站臥、或擴胸等日常活動時,也能同時量測心電圖並進行訊號判讀,並於心跳異常律動或者異常波形發生時,自動透過手機或電腦發出警示,能達成隨身照護的目的,這正是逐漸形成的高齡化社會所需要的。

不僅如此,同樣是鎖定健康管理需求,工研院目前尚正在進行「反射式動態血氧量測微系統」的開發。根據聯合國世界衛生組織的調查指出,在 2012 年死於空氣汙染相關疾病(慢性阻塞性肺病患者)的人口達 700 萬,較愛滋、糖尿病與車禍加起來的人數還多,因此血氧狀況的量測,也成為健康管理的重要措施。結合連續血氧量測的智慧腕錶,正可以滿足運動耗氧監測、連續疲勞監測、人體代謝監測、或照護機構健康管理方面的需求。

陳弘仁強調,「相較於其他同類技術,工研院的技術在許多指標上都有領先之處。」工研院所開發的「反射式動態血氧量測微系統」,其脈搏偵測正確率大於95%;血氧量測範圍為70~100%,誤差小於±3 %,且能提供連續監測,無論使用者是在睡眠、靜止、活動狀態中皆能持續量測。

迎接無限可能商機

工研院積極致力於穿戴式電子裝置各項核心技術的開發,目的就在於協助建構臺灣穿戴式裝置的軟硬體實力。對於臺灣在此波穿戴式裝置趨勢中的市場機會,陳弘仁以其長期觀察的心得分析指出,「穿戴式電子裝置發展由於具有多元化應用潛力及無窮商機,並且至今仍未有領導廠商壟斷技術或市場,因此臺灣業者大有可為。」

他建議相關業者能結合包括工研院在內的各界力量,從動作感知、光學微投影及生理監測等角度切入穿戴式裝置市場,並透過軟硬體與雲端資料分析服務的結合,以及運動休閒與健康管理服務的提供等,創造出臺灣業者獨有的競爭優勢,競逐新一代的智慧終端商機,在此一充滿無限發展可能的穿戴式裝置舞台上,找到自己的立足之地。

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