急速な技術の進歩により、私たちの生活や仕事の仕方、エンターテイメントやニュースの消費方法、お互いのコミュニケーション方法、仕事や遊びの仕方が変化しました。各家庭にあるコンピューターの数は、50年前の大企業にあったコンピューターの数を上回っています。また、スマートフォンという形で私たちのポケットの中には、10年前の誰よりも多くのコンピューティング能力と通信能力が詰まっています。
こうした変化にもかかわらず、何十年にもわたって変わらず保たれているのは、人々が自分自身と家族の幸福を基本的に気にかける気持ちです。したがって、スマートフォン アプリケーションで最も急速に成長している分野の1つが健康とウェルネスであることは驚くことではありません。これらのアプリは、歩数のカウントや消費カロリーの測定から不整脈のモニタリングまで、私たちの活動に関するあらゆる情報を収集する新しいセンサーシステムの機能に依存しています。
始まり
2012年に、Plessey Semiconductorsは、ウェアラブルな個人用健康機器の最も初期のプロトタイプの1つである、腕時計のフォーム ファクタの心拍数モニターを発表しました (図1)。リファレンス デザインでは、手首に常時接触しているデバイスの背面にあるセンサー電極を使用して心電図 (ECG) 信号を感知し、反対の手の指でデバイスの前面にある2番目の電極に触れることで、デバイスが心臓信号を収集できるようにしました。
図1: Plessey SemiconductorsのEPICセンサーのデモンストレーター。（出典：電子製品）
このデモンストレーターは、英国サセックス大学と共同で開発されたPlesseyのPS25x01シリーズEPIC (電位集積回路) センサー技術に基づいています。これらのセンサーは、磁力計が磁場の変化を検出するのと同じように、電界の変化を測定する初めてのセンサーであり、読み取りに物理的接触や抵抗接触を必要としません。通常の室温で動作し、アクティブ フィードバック技術を使用してセンシング要素の有効入力容量を下げ、入力抵抗を高める超高入力インピーダンス センサーとして機能します。実際には、これはほぼ完璧な電圧計であり、非常に安定しており、電界のわずかな変化をミリボルトまで測定できます。
電位を利用する別の健康関連センシングシステムも、はるかに高いレベルではあるものの、2012年にamsによって導入されました。プログラム可能な完全統合型雷センサーであるams AS3935 Franklin ICは、潜在的に危険な雷雨の接近を検出し、雷雨の先端までの距離を推定して、ユーザーが危険が発生する前に避難場所を探すことができるようにします (図2)。
図2: amsのAS3935 Franklin雷センサー。（出典：電子製品）
このセンサーは本質的には、雷の接近を検出する受信信号パターンをチェックし、人為的な妨害による誤った信号を排除する雷アルゴリズムが組み込まれた無線受信機です。Plesseyのデバイスと同様に、amsはこれを、たとえばフェアウェイでゴルファーが着用できる腕時計のようなデバイスとして構想しました。
2014年のSensors Expoで、ROHM/Kionixはウェアラブルキーデバイスを展示しました。デモ デバイスは、Bluetooth Low Energy仕様を使用して、キー内の複数のセンサーからスマートフォンやタブレットにデータを送信するように設計されています。この設計では、超高感度磁気インピーダンス (MI) センサー、加速度計、ジャイロスコープ、気圧センサー、近接/周囲光センサー (ALS)、RGB/UVセンサーを、コンパクトで軽量なキー型の筐体に統合しています (図3)。
図3: ウェアラブルキーデバイスのデモンストレーター。（出典：ローム）
センサー補完により、さまざまな機能と操作が可能になります。たとえば、アクティビティモニターとして機能し、消費カロリーを推定したり歩数をカウントしたりするだけでなく、着用者が乗り物（バス、電車、車など）に乗っているときや階段を上り下りしているときを検出し、移動時間を追跡することもできます。キーを外部に装着することで、ユーザーは自分が浴びている紫外線の量を判断し、日焼けの危険や黒色腫のリスクがある場合に警告を受けることができる。
今日の健康な手首
今年に目を向けると、市場には数多くのスマートウォッチが存在していることがわかります。最近発表されたFitbit SurgeとGarmin vivoactiveを検討してください。
Fitbit Surgeには、GPS、3軸加速度計、3軸ジャイロスコープ、デジタルコンパス、光学式心拍数モニター、高度計、環境光センサー、振動モーターが搭載されています。GPSトラッキングにより、ユーザーは距離、ペース、登った高度を確認できるほか、ルートやスプリットタイムを確認できるほか、PurePulse光学式心拍数モニターにより、手首で継続的に心拍数を自動測定し、心拍数ゾーンを簡略化できます。ユーザーは歩数、距離、消費カロリー、上った階数、活動時間を追跡できるほか、睡眠を監視して自動的にサイレントアラームを設定することもできます。このウェアラブルデバイスは、iOS、Android、Windowsのモバイルデバイスと通信できるほか、別のデジタル体重計とも通信して体重情報を記録できます。
図4: Fitbit Surge。(出典: Fitbit)
Garmin vivoactiveは、そのデータ処理機能と表示機能により、「真のフィットネス タイプに最適な製品の1つ」と呼ばれています。ランニング、ウォーキング、サイクリングのアクティビティを監視できることに加えて、このソフトウェアはゴルフや水泳のセッションも評価できます。モバイル プラットフォームとデスクトップ プラットフォームの両方で動作し、すばやく同期し、Windowsモバイルをサポートします。心拍数モニタリングはオプションで、GarminのANT+ センサー アクセサリを使用して、ユーザーは別のデバイスを胸に固定する必要があります。ANT+ センサーは、手首のデバイスとワイヤレスで通信します。
図5: Garmin vivoactive。(出典: The Verge)
次世代
現在、主に手首に装着するデバイスに焦点が当てられていますが、印刷可能な柔軟なセンサーの新世代も開発中です。これにより、センサーはさらに多くの種類のデータを直接かつ継続的に収集できるようになります。
たとえば、ノースイースタン大学の高速ナノ製造センターは、柔軟な基板に印刷された半導体単層カーボンナノチューブ (SWCNT) を含むシンプルで高感度のマルチバイオセンサーを開発しました (図6)。SWCNTは酵素で固定化されており、汗中のD-グルコース、L-乳酸、尿素をリアルタイムで検出します。これらの材料を印刷できるため、製造コストが低くなります。
図6: ノースイースタン大学CHNの研究者が作成した、単層カーボンナノチューブをベースにした柔軟なバイオセンサー。(出典: Electronic Products)
カリフォルニア大学サンディエゴ校のウェアラブル センサー センターでは、研究チームが皮膚に装着する「タトゥー」、つまり電解質および代謝物センサー、バイオ燃料電池、およびバッテリーを含むウェアラブル電気化学デバイスを開発しました (図7)。センサーを被験者の腕に取り付けて、分析手順で対象となる化学成分である分析対象物を監視できます。
図7: UCSDのウェアラブル センサー センターの研究者が開発した、印刷された柔軟性と伸縮性を備えた電気化学センサーの「タトゥー」。(出典: Electronic Products)
センサーの設計とパッケージングの継続的な進歩により、いつの日か、必要なときにいつでも、人々が自分の重要な指標を常時快適に監視することが当たり前になるでしょう。その結果、健康に対する心配が減り、より長く、より楽しい生活が送れるようになるでしょう。