生物识别技术DIY：健身手环究竟能测些什么？

现在，健身手环逐渐成为受欢迎的礼物。在我个人选礼送礼的过程中，我深入地去研究了这些健身手环，看厂商所炒作的是什么议题。而我发现到，它们基本上是一个把已经存在几十年的技术重新包装再上市的产品：一个智能手表中的计步器和心脏监测仪。这让我不禁要问，为什么它们会如此地受到欢迎？


除了报时之外，健身手环可为你做一切的事情（图片来源：brookstone.com）。

我想出了两个答案，第一是手机的应用程序（app）。消费者希望具有一种能力，可以以一种方便而有吸引力的方式来追踪和记录他们的活动层级。其次是不像旧有的技术，这些手环通常能够为消费者带来某种度量指标，而这是一款简单计步器和心脏监测仪所无法做到的；卡路里的热量、所爬的楼梯数目、“整体的健康”，等等。对于那些想要保持活动动机的一般人而言，这好是好；但它有一个很大的缺点：如果消费者所做的事情并不是日常的行走和爬楼梯等时，那这些器件就无法准确追踪配带它的人的“健身”状态。换句话说，如果你去健身房和运动，健身手环就无法为使用者准确地追踪其所需要为维持动机的度量指标。
不过，不要误会我的意思，我并不是说这些健身手环是一种坏的产品或是愚蠢的产品。在我看来，任何可促使人们更加积极运动、身体更健康的产品，都是好事。但是，这让我想到一种理论上“真正的”健身计。要开发出一种消费者愿意穿戴的产品，它需要什么？以一只手表的大小尺寸来说，它要能够随时将他或她的身体“统计信息” 读出给手机。这种统计信息是人们在身体检查之后可从医生手中收到的资料，它包含着血液成分、呼吸效率等。直到现在，对此并有没有一个简单的答案。
所以我们究竟可以测量什么？我们可以得到什么样的生物识别技术？我们又可以如何利用这些信息？这正是目前DIY电子社群的一项很受欢迎的主题，只要消费者对量测自己的身体有兴趣 ，此一主题就会一直受到欢迎。
        
让我们从一个简单的开始 ：
心率（心电图）
测量心率是一件相对容易的工作。在做心电图的情况下，传感器会放置在身体上，它会侦测当心肌组织极化或去极化发生时由心脏所产生的电信号。这会应用在polar heart-rate chest band，而这种chest band可与DIY的电子产品介接。也可以光学的方式来感测心率，一般的作法是将光学传感器置于指尖之上。


这些传感器很便宜，也小得足以塞进手表中。以心率作为输入可以产生很多有趣的计划。

运动
生物识别技术的运动感应技术与其他的感应运动技术并没有什么不同，通常都是采用加速度计来执行。旧的或较便宜的计步器是机械式的，有一个与每一步伐力量相接触的钟摆或加重之簧片开关，但在健身手环的情况下，采用的则是加速度计。该加速度计的数据经过分析，可用来检测每一步伐的加速度配置文件（profile），对于拥有双足的我们人类来说，此一速度配置文件是一致的。这种传感器相对较小，价格也便宜，而工程困难的部份则是落在加速度数据的分析。要从一个人的总加速度所产生的噪声数据中推导出一个“步伐”，是一件困难的事情。
高度
高度是另一种可以相对简单地获得的度量指标。虽然技术上它并不是一项生物指标，但在分析活动时，它是一项重要的测量。它通常是利用气压计来感应。随着高度的增加，空气压力减小，气压传感器很容易地就可检测到这种的变化，且准确度惊人。这是大多数商用健身手环测量“楼梯台阶”所采用的方法。这些器件会检测一栋建筑物的一个楼层到另一个楼层的气压相对变化，而不是分析一个人爬楼梯时的加速度计运动配置文件而来检测。这好是好，但如果使用者搭乘电梯时，或在罕见的情况下，搭乘云霄飞车时，就会有问题。



相对而言，这些指标都还算简单。对一般人而言，市面上可以找到许多量测这些指标的设备，且可轻易地获得。
        
让我们深入地去探索一些比较专业的指标：
肌肉活动（肌电图）
肌电图（electromyography，EMG）是一种用来检测由骨骼肌所产生的电活动的技术。它借着测量由肌肉纤维所产生的电势来检测肌肉活动。肌肉愈收缩，所产生的电位就愈高。因为在受测的情况下，受损的肌肉会生产非标准的结果，所以肌电图通常会用来诊断肌肉的疾病。 从生物识别技术DIY的角度来看，它是一种可用来检测肌肉是否被用到之简单方法。对一些有趣的生物反馈计划而言，肌电图是一条快速的快捷方式，例如Advancer Technologies的这个计划（http://www.instructables.com/id/Muscle-EMG-Sensor-for-a-Microcontroller/）。
皮肤传导（电活动）
皮肤传导是皮肤的天性，让它可以为了响应一个刺激而变得更加或更不导电。一般情况下，愈容易被激动的人，他的皮肤就会变得更具有导电性。因为此一原因，皮肤传导测试是测谎测试中常用的因子之一。而这也是在使用Dianetics E-meter（http://en.wikipedia.org/wiki/E-meter）时常会被量测到的现象。


第7级激动（图片来源：wikipedia.org ）。

皮肤传导是一种自律的特质，意味着它是不受意志控制的，且会根据身体的状态而产生变化。 压力愈大，皮肤传导就愈高。它是另一种价格低廉且易于进行检测的生物识别技术，所以我们也将把它塞进我们理论上的手表中。

        
现在我们开始探讨手表中近乎不可能的（nearly-impossible-in-a-wristwatch）指标：
血液化学检验
当你在医生的办公室把血液交给医生时，这些血液会进行许多化学层级和指针的测试，这可提供许多洞察生物识别的数据。这些血液会针对化学范围、细胞数目、细胞体积、型式、和任意数量的异常而进行测试。当在为健身活动进行选择时，例如饮食、运动、和睡眠等，可持绩性地利用到血液化学数据将是非常得心应手的。不幸的是，为了执行这样的血液测试工作，需要血液。而这不并好玩。更不用说要执行这样一个全部测试的完整实验室。要把所有这些工作都塞进手表中，是太多了；然而还有一线希望，现代的科学正在开发能够做到这一点的方法。它并不便宜，也不完整，对DIY的人而言，它也不是在手边可用的，但它却是迈出的一步。


这是一个植入设备的原型，可用来检查血液化学（图片来源：gizmag.com ）。

消化系统分析
当进行饮食选择时，知道你对某些类型食物的消化能力有多好，或你在某些饮食区是有缺陷的，是有好处的。胃肠道中细菌的层次和类型可以产生有关当事人整体健康的丰富信息。不幸的是，这就是生物识别技术让人有点......不舒服的地方。分析消化的最好方式是分析排泄物样品中未被消化的是那一部份。因为此一原因，据我所知，没有人以DIY的方式在做及时的消化分析（我也拒绝在Google上搜寻“自己动手做大便分析”）。该测试是复杂的，且有点昂贵。也令人恶心。但是，有一个新的计划项目，它与23andme DNA计划类似，可针对微生物分析你个人的“消化样本”，并寄会一份有关你个人生态系统的报告给你。但这离要从手表读数读出仍然是一段很长要走的路。
呼吸效率
呼吸效率测试可告诉你进入你肺部氧气的转换情况。实际的度量指标会用来分析二氧化碳和一口气所消耗氧气之间的比率。它是整体呼吸系统健康的一项量测。从理论上讲，一名要执行此测试人员所全部需要的就是一个二氧化碳传感器和一个氧气传感器，一般的DIY电子爱好者都可轻易找到这样的产品。要检测出CO2和O2是否存在，是很容易的一件事。不过，健康检查可不是只要检测到就OK了。我们需要精确地测量，于是，这就不是一回事了。当你要进行健康检查，医生可能会进行最大摄取氧气量的测试。这会测量呼吸及在进行活动时的O2和CO2含量。它看起来像这样：


把它加进到手表（图片来源：wikipedia.org）。

消费者可以买到一个消费者版本的VO2max机器，但它并不便宜，当然，对于DIY的生物识别电子爱好者也不是很方便。另外，为了获得连续不断的读数，你将要随时随地戴着一个既大且看起来像傻瓜的面具。因此，这就不在我们手表的考虑之列。
生物识别技术是现今DIY电子界的一个热门话题。为测量心率、肌肉活动、和皮肤传导所量身定做的开发板也已经有了（比如Bitalino），并且能够用较低的成本来执行前述的功能。
要让这块开发板直接传送及时的测量到手机上的“统计板”，并不是一件太困难的工作。虽然我们未必能测量到所有身体所产生的有用的生物识别信息，但我们目前能够自我测量一些指标，在过去，这些是只有坐在医生的办公室内才能够进行的测量。我想，这已经是很大的进步了。