可穿戴和生物遥测技术应用

2020年 4 月，美国航天基金会发布了2020年第一季度《航天报告》，从航天经济、从业人员、空间基础设施、航天产品和创新四个部分对全球航天产业发展情况进行了总结与分析。本文摘编了报告中航天产品和创新相关内容，供读者参考。

一、可穿戴技术缘起航天员

当人们完成一项训练后，看一眼手表就能知道自己的心率和消耗的卡路里，当手表检测到佩戴者心律不齐时还会发出警示信号。现在，这样的设备已经非常普及。很难想象，在太空计划之初，美国国家航空航天局（NASA）的航天员甚至还未拥有这类技术和设备。

20世纪60年代初，实时采集和传输生理数据是无法企及的幻想。随着“水星计划”（Project Mercury）的结束，周期越来越长的太空任务引起了人们对航天员健康的关注，从而催生了“双子座计划”（Gemini Program）。“双子座计划”的主要目标是确定人类在长期太空飞行中的耐受力，并开发跟踪航天员在太空健康状况的监测系统——这对于后来的“阿波罗计划”（Apollo Program）尤为重要，有助于进一步延长太空任务的持续时间进而到达月球。

1961年，人们首次利用可穿戴技术对生命体征进行了远程监测。当时，在地面监测了航天员尤里·加加林的心电图数据（ECG/EKG）、呼吸频率、眼球运动和皮肤电反应。1962年，NASA与太空实验室（Spacelabs）签订了一份合同，以开发一个监测航天员生命体征的系统和一个同时将数据传回地球的遥测系统。1965年，生命体征远程监测系统在双子座4号任务中首次使用，航天员埃德·怀特在美国首次太空行走中佩戴了这一系统。1969年，第一个登上月球的航天员尼尔·阿姆斯特朗也佩戴了太空实验室的产品。

埃德 · 怀特首次太空行走

二、生物遥测技术用于地面医疗

在NASA成功应用太空实验室研发的生命体征远程监测系统后，太空实验室又针对医院开发了一种类似的系统，可用于跟踪病人的康复情况。在接下来的十年间，该公司开发了多个系统，以满足各种健康跟踪需求。目前，这些系统还在不断完善中，可供医院、看护机构和紧急医疗救护技术人员现场使用。

21世纪初，NASA在对早期可穿戴技术进行更新的基础上，开发了生命监控系统。这一系统能够连续记录2条导联心电图、心率、呼吸频率、体温、3个正交方向加速度、血氧饱和度和血压。生命监控系统可适用于多种地面应用，包括监测心血管疾病患者、辅助诊断、监测活动等级、评估步态稳定性、评估治疗效果、跟踪睡眠质量和时长等。该系统还能提供实时数据，有助于在搜救任务中评估受伤士兵、消防员和救护人员的情况。

生命监控系统

三、可穿戴设备融入物联网

近年来，物联网的发展成为热点，可穿戴设备已成为物联网市场的重要组成部分。截至2019年底，全球可穿戴技术方面的消费估计达到410亿美元（较2018年增长25%），预计2020年将达到520亿美元，同比增长27%。

尽管早期可穿戴技术的消费应用主要是腕表和助听器等耐用设备，但这些设备并不能收集和传输佩戴者的相关数据。新型可穿戴设备配置了传感器、软件和联网功能，可在无需人工干预的情况下与其他设备交换数据。例如，通过心电图（ECG/EKG）监测心率，通过肌电图（EMG）了解肌肉生物信号，通过脑电图（EEG）了解脑电波，从而跟踪用户的一系列生理数据。现在市面上的腕带或智能手表大都采用了这类技术。

美国Fitbit公司于2008年推出了非传统可穿戴健身技术。到2015年，该公司的可穿戴科技产品销量跃居世界第一，具备跟踪步数、里程、爬楼层数、消耗卡路里和睡眠模式等功能。2015年，苹果公司的第一款智能手表Apple Watch首次亮相，迅速取代了Fitbit公司的产品，成为最畅销的可穿戴设备。由于大众对可穿戴设备数据的准确性提出质疑，2018年底发布的Apple Watch 4增加了心电图功能，成为第一款受到美国食品药品管理局（FDA）认可的具有心电图功能的消费产品。

显示佩戴者心率的Apple Watch 4

四、可穿戴技术将在太空和地球上互利发展

可穿戴技术已从太空应用于地球，但在太空中仍有一席之地。最近的医学研究成果表明，航天员在太空停留6个月后，其颈动脉相当于老化了20到30岁。此外，由于缺乏锻炼而产生的胰岛素阻抗也会给航天员健康带来威胁。随着未来太空任务时长增加，对航天员的健康状况进行准确跟踪将更加重要。

加拿大Hexoskin公司研发了一款生命体征监测产品Astroskin，作为加拿大航天局（CSA）“生物监测器”（Bio Monitor）的一部分，用于跟踪国际空间站上加拿大航天员的健康状况。这种可机洗的智能衬衫可在睡眠或运动时穿着，用于监测脉搏、血压、呼吸状况、血氧饱和度、活动等级、心率变异性和皮肤温度等生理数据。该公司生产的另一款商业化产品Hexoskin智能服装也能记录类似数据，并将数据传输给用户。

新设备能够检测到其他健康风险。麻省理工学院一家专门从事人工智能的公司Empatica与NASA合作，研制了第一款获得FDA许可的检测癫痫发作的智能手表Embrace。目前，该公司已宣布开发出新型智能手表Empatica Plus。该手表采用了可穿戴技术，可用于对未来开展首次火星任务的乘员进行健康监测。

加拿大航天员身穿带有“生物监测器”的衣服

在地球上，晕动病是一个困扰人类的问题，对于太空中的航天员而言，更是一个巨大的挑战。人类的感官系统利用重力确定物理方位，太空中的微重力环境使感官系统暂时处于混乱状态，即使对于经验丰富的航天员也会引发一系列问题，如出现定向障碍，甚至恶心呕吐等。Zephyr公司开发了BioHarness产品，这是一种戴在上身的带子，能够获取和传输一系列生理数据，帮助解决晕动病带来的问题。NASA与Zephyr公司合作，在太空任务中对其进行测试。目前，BioHarness产品可对消防员、士兵、大学运动队，甚至NFL、NBA和NHL等几支职业运动队球员的健康状况进行跟踪。

为了进一步向航天员提供可穿戴健康跟踪能力，NASA的格伦研究中心（Glenn Research Center）开发了“便携式代谢分析装置”（PUMA），这是一种远程测量航天员代谢率的装置。英国制造商Dialog半导体公司与NASA共同开发了一个多传感器乘员装置，该装置可监测飞船狭小舱室中的二氧化碳和其他环境因子，为航天员提供警示信号，提示潜在的危险毒性因子的水平。

很难预测，用于太空探索的可穿戴技术和生物遥测技术未来将如何交叉和融合发展。但毫无疑问，未来将实现更多互利的进步，保障太空探索者和地球消费者的健康。