智能可穿戴技术在军事医学领域的应用

张孝强，王 伟

（海军特色医学中心，上海 200433）

0 引言

可穿戴技术是探索和创造能直接穿在身上或是整合到用户衣服或配件设备上的科学技术[1]，是集合无线通信、芯片技术、传感器技术、智能交互技术及柔性电子等多种科学技术的综合运用。根据Steve Mann在1998年提出的观点，一种设备具有可穿戴性，其特征应包括不限制用户行动、非独占用户注意力、易于观察和控制、可感知与交互、持续稳定性以及用户专有属性等[2]。可穿戴技术的目的是构建个人化、智能化与舒适性的随身穿戴设备，它在使用者近乎无意识的操作下实现运行，协助完成某项工作或实现使用者生存质量的提高。因此，智能可穿戴技术凭借其突出的技术优势和广泛的应用前景，成为军事医学领域和战场医疗保障研究的热点方向。本文对智能可穿戴技术在军事医学领域的应用及发展展望综述如下，以期为其后续的针对性研究提供参考。

1 可穿戴技术的发展及应用

1.1 可穿戴技术的发展进程

可穿戴技术的发展起源可追溯至20世纪60年代，随着计算机及相关元器件不断地向超微型化发展，针对计算机的可穿戴性研究悄然兴起。1961年美国麻省理工学院研制出用于轮盘赌（roulette）的鞋式穿戴机[3]（如图1所示），1980年Steve Mann发明了身背式穿戴机[4]（如图2所示），1989年Reflection Technology公司推出了商品化的头盔显示器[5]（如图3所示），1994年美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）通过智能模块计划（Smart Modules Program）开始研制具有军用和商业价值、可用于穿戴和便携式计算机的模块[6]。在学术研究层面，美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）成立了可穿戴智能技术委员会，到2018年已连续召开了22届智能可穿戴计算学术会议（IEEE International Symposium on Wearable Computers，IEEEISWC）[7]。总体而言，2000年之前的可穿戴技术和设备原型基本处在实验室研究阶段，但已经基本阐明了可穿戴技术的概念。

图1 鞋式穿戴机[3]

图2 身背式穿戴机[4]

图3 Private Eye P4[5]

随着移动通信、微型芯片、智能终端设备技术产业和用户需求的成熟，真正普及性的可穿戴技术及设备应用开始蓬勃发展。2008年以来可穿戴技术与设备的研究论文数量呈持续上升趋势，美国、韩国、中国等处于带动整个研究网络的核心位置[8]。由此可见，可穿戴技术发展基本上与移动通信、互联网等高科技产业的发展分布一致。2014年可穿戴设备应用迎来突破，CES2014国际电子消费展的主角之一就是备受关注的可穿戴设备，全球科技巨头纷纷推出相应产品，包括众多款式的智能手表及手环、Core运动追踪器、3L Lab智能鞋垫、Moverio BT-200智能眼镜、Avengant Glyph头戴显示器等[9]（如图4所示），这些产品体现了很高的可穿戴性设计及应用成熟度，展现出令人赞叹的体验效果。

图4 CES2014展示的部分智能可穿戴设备[9]

1.2 可穿戴技术的军事应用

除了消费电子产品领域，欧美等发达国家从可穿戴技术的发展伊始就将该技术应用于军事领域，主要面向智能可穿戴式单兵系统装备。邓威等[10]把军用智能可穿戴设备分为3类：（1）作战指挥类，包括单兵指挥系统、智能头盔、智能眼镜等，着眼于提升作战人员的状态监测、态势感知、数据显示和指挥通信等能力；（2）武器装备类，包括单兵综合战斗系统、可穿戴防护装具、智能外骨骼系统等，着力拓展人体生理功能，提升人员自我生命保护能力；（3）日常监管类，包括可穿戴安防管理器材、智能服装（生理监测、医疗辅助）等，着眼于提高单兵网络化互联管理、训练监测水平及综合保障效能。

可穿戴技术是军民融合度很高的领域，在军用可穿戴设备研发上，典型军工企业的设计理念和创新很大程度上不如那些经受市场需求考验的民用高新技术公司。我国已把军民融合发展上升为国家战略，这也给我军单兵装备从移动、携行式向可穿戴化发展提供了契机，借助国产民用智能可穿戴技术创新发展的蓬勃动力，集中军民优势力量协同攻关，是加快我军单兵装备升级步伐，推动军用可穿戴装备发展争取主动、实现超越的战略途径。

2 可穿戴技术在军事医学领域的应用

由于战场环境的特殊条件，面向军事医学的医疗技术装备通常应轻便、适用、便于携带，以适应部队机动作战保障的需求。当前可穿戴医疗技术装备的应用研究主要面向人体功能（状态）监测、肢体物理辅助、远程监测与治疗、模拟技术培训等[11]。由此可见，可穿戴医疗技术装备的应用研究能够很好地贴合当前军事医学研究方向和战场医疗保障需求，具备较高的应用价值和前景。

2.1 人体功能（状态）监测

现代战争使得小组化战术突袭成为步兵基本作战样式，单兵综合战斗及保障系统成为各国军事装备的发展重点。智能可穿戴的人体监测及急救辅助装备可有效提高单兵战场紧急救治时效，通过无创生理传感器，可实时监测战士的生理参数，评估身体状况，反馈或发送救护信息，在后方指挥系统支持下，及时指导受伤战士利用穿戴急救辅助装备展开自救互救。

美国陆军环境医学研究所研制了内嵌于作战服的武士生理状态监测（warrior physiological status monitor，WPSM）系统[12]（如图5所示），通过可配置的微型无线传感器群，该系统可监测心律、行走、代谢能量损失、体温、动静状态及位置信息等，采集的同步化数据通过无线个人局域网（wireless personal area network，WPAN）传输到战士腰带上的信息存储单元，并可传输到单兵数字化作战系统或指挥通信网络。可穿戴电子织物[13]（electronic textiles）是人体功能（状态）监测的理想载体，是具有生理感知、信息处理与传输、信息交互的智能服装，它的研究起源就是战场信息感知与战士生理监护的军事医学需求。美国乔治亚理工学院研制的智能衬衣（wearable motherboard）（又叫穿戴母板，如图6所示），最早验证了“布料即为计算机”的概念[14]。其周身缠绕了一根不间断的光纤管，可用来探测可能的穿透伤位置，并将信息无线传输给医务人员。它在织物中构建了多功能的非干扰式计算框架[15]，即衬衣化的传感器和计算元件连接平台，能够像普通主板一样，将传感器、处理器等元件整合为一体，以实现如生命体征监测等应用功能。

图5 WPSM系统[12]

图6 智能衬衣[14]

2.2 可穿戴外骨骼

现代战争遂行多样化军事任务条件下，单兵作战的能力要求越发突出，单兵携带的装备和物资越发沉重，严重限制了战士的机动性、持续性甚至是生存能力。如何应用可穿戴技术装备提升单兵作战和携带能力，一直是欧美强国军事科技的重要研究方向。军用可穿戴外骨骼是根据人体结构特点设计的外穿机器骨架系统，它直接与人体肌肉骨骼系统并联，能扩充人体的生理机能，分担部分或全部人体肌肉骨骼的支撑、保护、运动以及环境感知等[16]，使得战士可以更有体力地应对战场复杂环境和任务，特别是战场救护和伤员搬运。

军用可穿戴外骨骼的应用研究有2个发展方向：刚性外骨骼和柔性外骨骼。刚性外骨骼是对人体骨骼的仿生，采用外置刚性连接杆与肢体并联，部分或全部代替人的骨骼和关节来负重；柔性外骨骼是模拟人体肌肉作用原理，使人与外骨骼交互协同，因此其辅助动力有限，但可以明显缓解战士的运动疲劳，增强作战持续能力。当前，军用可穿戴外骨骼的研究和开发主要由各国的军工企业、防务公司、高校科研团队等开展，多数仍处在试验研究阶段，表1简要归纳了代表性的研究机构、原型系统（如图7所示）及其主要技术特点[17-23]。

医用可穿戴外骨骼在市场需求牵引下，亦得到了深入发展。SuitX公司推出了极具代表性的Phoenix医用可穿戴外骨骼[23][如图7（h）所示]，它由髋关节模块、可变阻力膝关节模块等组成，每个模块均可单独使用，具有独立的处理单元，所有模块合在一起又可以形成完整的外骨骼系统。这种依据机体康复和辅助行走需求而开发的医用可穿戴外骨骼对于军队战后伤病员的肢体恢复治疗、伤残军人恢复行走具有显著的应用价值，既可以提高创伤康复效率，又充分体现了人文关怀。

表1 可穿戴外骨骼研究团队、原型系统及其技术特点

图7 几种代表性的可穿戴外骨骼系统

2.3 单兵实时远程医疗

随着可穿戴人体监测和无线通信技术的发展，远程医疗亦朝向移动状态下“Person to Person”的形式拓展。可穿戴远程医疗终端是实现单兵实时远程医疗的基础，其核心功能包括可穿戴生理监测与远程无线数据传输。

当前可穿戴生理监测的应用研究多数集中于基本生理参数，主要包括呼吸、体温、心率、血压、血氧饱和度和心电等[24-25]。美国海军研究局（Office of Naval Research，ONR）、美国陆军外科研究所（US Army Institute of Surgical Research，USAISR）和 Athena GTX公司共同研发了一款适合战地救护的无线生命体征监测器（wireless vital signs monitor，WVSM）[26]，并已通过了美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）的认证。该设备小型轻便，质量不超过1磅（0.45 kg），使用时只需绑在手臂上，就可将检测到的体征数据无线传输至相应的平板计算机或手机上，可让医生同时监控超过15名人员情况。通过设备软件自带的算法，可以实时分析人员状态，并提示医生是否需要医疗干预。目前不足之处是仍需少量导联线且无线监测距离有限。

可穿戴终端适用的远距离无线传输方式主要是移动网络与卫星通信。基于移动网络的实时远程医疗是较普及的方式，软硬件技术相对成熟，已在家庭远程监护、老人健康管理等方面有深入的研究和应用[27-31]，但其局限性是需要基站组网支持。刘磊等[32]介绍了一种基于扩频技术、称为LoRa的低功耗广域网（low-power wide-area network，LPWAN）技术，已成为物联网应用的重要基础网络制式，在单兵实时远程医疗应用中具备较大前景。

3 可穿戴技术在军事医学领域应用存在的问题及对策建议

3.1 存在的问题

（1）电量续航问题。

智能可穿戴设备可以说是形态各异、穿戴化的袖珍型计算机系统，在微型化的电路板上集成了处理器、存储器、输入输出装置及I/O通道等，这些硬件搭配必要的软件运行必然存在功耗问题。特别是，可穿戴外骨骼是“微型计算+机器人”技术的融合，不仅有微型计算系统的弱电功耗，还有机械驱动与控制的强电能耗问题。由于可穿戴设备的便携式属性，其电量供应需要依靠内置储能装置（通常为各种电池模块）来解决。因此，对于智能可穿戴设备而言，电量续航问题是生存问题，特别是与救命相关的军事医学应用。

（2）穿戴舒适问题。

在功能实现基础上，舒适性是可穿戴技术应用的核心问题。受传统电子元件的限制，当前大多数可穿戴设备仍停留在携带式、离散嵌入式与粗粒度集成的层面，硬件结构与人体接触的异物感、对肢体运动的约束感以及明显的负重感等问题严重影响了可穿戴设备的实践应用。对于人体功能监测，舒适性包括可穿戴结构物的柔软、湿热、透气等体感舒适性，传感器接触皮肤的感官舒适性以及人体安全性等问题；对于外骨骼系统，穿戴舒适性还需要结合人体仿生学、生物力学、系统结构及应用场景等研究，充分考虑人机接触的缓冲减震以及机械结构的应急保护，尽可能防止系统故障或结构损坏时对使用者造成伤害[16]。

（3）信息安全问题。

智能可穿戴设备在将军事医学保障向实时化、移动化、单兵化拓展时，也为军事医学应用带来无法确定的装备安全与信息安全风险。智能化软件应用、远程无线数据传输必然存在单兵数据（信息、健康、位置等）泄露，远程控制、数据通信链路被侵占甚至可穿戴设备落入敌手、为敌所用等潜在问题，因此，装备与信息的安全可控是智能可穿戴设备在军事医学领域应用的重要前提。

3.2 对策与建议

（1）低功耗与适配性设计。

在新型高能电池及快速充电技术进展缓慢的情况下，低功耗设计是智能可穿戴设备、技术应用的关键。可穿戴智能终端的低功耗设计焦点是提升芯片性能的同时降低功耗，主要包括芯片指令集精简与架构优化、制程工艺提升、传感器低功耗设计、无线通信针对性优化、软硬件一体优化等措施[33]。适配性是智能可穿戴设备降低功耗的另一关键。军事医学应用通常具有明确的任务界定，其芯片、传感器及通信协议等只需按照任务选择适合程度即可，不需要像智能手机终端那样追求高性能、高配置而产生额外功耗、性能过剩的情况。

（2）柔性电子技术应用。

相比传统电子设备，柔性电子器件具有更大的延展性及灵活性[34]，能够在一定程度上实现与人体无缝贴合，充分满足舒适穿戴的形变要求。由于人体具有非平整的表面和精细结构，能够舒适黏附在皮肤表面的电学矩阵在人体监测方面具有显著优势[35]。在可穿戴人体功能（状态）监测、柔性外骨骼及智能服装等领域，多样化、多形化的柔性电子传感器[36]是研究应用的大趋势，是未来智能可穿戴技术应用实现颠覆性改变的核心要素。

军事医学应用所需的可穿戴柔性传感器的功能需求主要集中在压力[37]、温度及应变监测等方面，目前代表性的研究成果有Hong等[38]制备的一种高电阻灵敏度、可拉伸的纳米纤维温度传感器有源矩阵，Pang等[39]开发的一种基于微毛结构、信号放大作用很强的柔性压力传感器，Yamada等[40]制备的拉伸形变良好的单壁碳纳米管薄膜，这些研究为柔性传感器的实际开发指明了方向。为了实现柔性可穿戴技术在军事医学领域的自主应用，需要在国家层面统筹各方资源深入研究人体温度、呼吸、话语及运动等不同类型变化的柔性传感监测技术。

（3）信息加密与规范化使用。

军用智能可穿戴设备从研发伊始就必须从战略角度重视信息安全，加大安全技术研发，增强敌我识别防护能力。从技术层面，在军用可穿戴设备终端应用多重数据加密技术，同时建立军用可穿戴设备数据传输分级分类管控模式，另外还需加强军用可穿戴设备的远程控制功能[41-42]，严防遗失导致数据泄露问题。在管理上，应指导使用者强化信息安全意识，严格执行使用规范，避免智能可穿戴设备随意连接，从技术、管理及规章等多方面充分保障军事信息安全。

4 可穿戴技术在军事医学领域应用的发展展望

4.1 服装化与皮肤化的柔性人体监测

柔性监测服装是织物与电子设备的细粒度集成，它借助纤维形状化的新型器件（包括传感器、执行器、电源等）和模块柔性互联技术[43]，将穿戴计算组件和连接导线融入织物，使穿戴系统即服装样式具备天然的可穿戴性及持续可用性等特点。电子皮肤[44-45]是探测人体功能信号的理想形式，是柔性电子技术与生物医学传感技术的重要研究方向。尽管近年来柔性电子技术颇有进展，但仍需突破新型传感原理、多功能集成、复杂环境分析等科学问题以及制备工艺、材料合成与柔性器件整合等核心技术壁垒。

4.2 轻量化与高仿生度可穿戴外骨骼

可穿戴外骨骼是精确随动控制的人体仿生结构系统，它依附于使用者肢体之外，提供承载与运动助力的同时，又不影响人体运动的自由度和舒适性。仿生结构系统需要满足轻量化、高强度、舒适穿戴与可靠承载等要求，涉及到具备良好力学性能、可设计性强、能一次成型且自身轻质等特点的新型材料研究。对于动力可穿戴外骨骼，可靠的控制系统是实现仿生结构与肢体精确同步、实时助力辅助的基础。控制系统要具备精确跟踪与实时随动控制功能，需借助精准（柔性）传感技术、运动控制算法以及相应决策策略的研究。

4.3 监测与救护一体的实时远程医疗

在远程实时体征监测与信息反馈（通信）的基础上，未来穿戴式远程医疗更进一步的功能需求是提供必要的、远程可控的紧急救命干预。在战士身体或服装的适当部位黏附特制的可控电极、新型敷料及药剂等干预单元，在突发情况下生命指征异常时，穿戴式终端实时向本人及后方（或同伴）反馈提示信息。特别是在体征危急或无运动反应情况下，穿戴式终端主动（或受后方、同伴远程控制）启动相应干预单元，尽可能挽救战士生命。要实现集监测、通信与急救干预一体的可穿戴技术应用，还需深入开展智能穿戴式急救干预单元的研究。

5 结语

在军事医学领域，柔性人体监测、可穿戴外骨骼、实时远程医疗救护等作为扩充单兵生理功能、减少负重损伤、实现全时医疗保障的重点，将对单兵作战的实际运用产生重要影响。在面对当今世界单兵装备智能可穿戴化的激烈竞争中，抓住我国在新一代移动通信技术与可穿戴设备领域的跨越式发展契机，突破诸如功耗与能源技术、服装化及皮肤化柔性电子技术、敌我识别的装备与信息安全技术等瓶颈问题，是军用智能可穿戴装备真正实用化的基础，对提升未来士兵的战场生存能力、机动能力以及持久战斗能力具有决定性作用。