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运动智能可穿戴设备的关键技术与应用前沿进展
Key Technologies and Frontline Applications of Intelligent Wearable Devices for Sports
随着数字化时代的到来,运动智能可穿戴设备的研究与运用为智慧体育的创新发展提供了理论与实践参考。运用文献研究法与系统分析法,聚焦于传感技术、人机交互技术、无线通信与物联网技术、供电与能源管理技术,探讨柔性电子、新型材料、人工智能等前沿技术突破及其在体育教学、竞技训练、大众健康与运动康复等领域的应用现状与潜力。研究发现:1)在技术层面,运动智能可穿戴设备发展重点在于新一代高精度微型传感器、以虚拟现实为代表的沉浸式交互技术、5G与物联网的深度融合以及基于摩擦纳米发电机的能量自给技术;2)在应用层面,运动智能可穿戴设备已广泛赋能运动表现的实时优化、个性化健康指导、远程康复监护等场景;3)当前有关运动智能可穿戴设备的研究仍面临若干关键瓶颈,包括多源异构数据的高效实时融合、续航能力与佩戴舒适性的平衡、数据安全与用户隐私信息保护,以及行业标准体系构建。研究认为: 运动智能可穿戴设备是推动智慧体育发展的关键引擎,但其技术生态与应用广度仍有待完善,亟需在核心技术自主创新、多学科交叉融合、行业标准体系构建等方面实现突破。
With the advent of the digital age, the research and application of sports intelligent wearable equipment provides a theoretical and practical reference for the innovation and development of intelligent sports. Employing a methodology of literature review and systematic analysis, the study first focuses on four core technologies: sensing, human-computer interaction, wireless communication & the Internet of Things (IoT), and power supply & energy management. It then explores frontier technological breakthroughs-such as flexible electronics, novel materials, and artificial intelligence-and examines their current applications and potentials in the fields of physical education, competitive training, public health, and athletic rehabilitation.Results: The study finds that:(1) On the technological front, the development focus is on next-generation high-precision miniature sensors, immersive interactive technologies represented by virtual reality, the deep integration of 5G and the IoT, and energy self-sufficiency technologies based on triboelectric nanogenerators (TENGs).(2) In terms of application, these devices are now widely empowering scenarios such as the real-time optimization of athletic performance, personalized health guidance, and remote rehabilitation monitoring.(3) Regarding challenges, its development still faces several key bottlenecks, including the efficient real-time fusion of multi-source heterogeneous data, the balance between battery life and wearing comfort, data security and user privacy protection, and the lack of an industry-wide standards system.Conclusion: Intelligent wearable sports equipment is a key engine driving the development of smart sports; however, its technological ecosystem and breadth of application still require maturation. In the future, breakthroughs are urgently needed in areas such as indigenous innovation in core technologies, interdisciplinary integration, and the establishment of an industry-wide standards system in order to empower the comprehensive and in-depth development of the field.
智能可穿戴设备 / 运动监测 / 传感技术 / 人机交互 / 物联网 / 智慧体育
intelligent wearable devices / sports monitoring / sensor technology / human-computer interaction / internet of things / smart sports
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以物联网技术为基础的可穿戴设备普遍而迅速地介入到职业体育运动之中,其对运动员个人数据的大规模处理已经触发运动员的数据隐私危机,能够兼顾数据利用和隐私安全的法律保护模式亟待研究。通过比较分析发现,既有的个人数据隐私保护的赋权模式和定责模式存在诸多局限,而场景化模式针对不同场景中的数据隐私风险设置相应的隐私保护举措可以最大限度地契合运动员的合理隐私期待,进而实现对运动员个人数据权利的切实保障。这一进路也符合运动员作为体育从业者和技术应用对象的弱势方的现实境况。研究建议:充分考虑运动员可穿戴设备中个人数据的特殊性,结合不同场景和不同数据类型设计整全式的隐私保护模式。
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The naturally microstructure-bioinspired piezoresistive sensor for human-machine interaction and human health monitoring represents an attractive opportunity for wearable bioelectronics. However, due to the trade-off between sensitivity and linear detection range, obtaining piezoresistive sensors with both a wide pressure monitoring range and a high sensitivity is still a great challenge. Herein, we design a hierarchically microstructure-bioinspired flexible piezoresistive sensor consisting of a hierarchical polyaniline/polyvinylidene fluoride nanofiber (HPPNF) film sandwiched between two interlocking electrodes with microdome structure. Ascribed to the substantially enlarged 3D deformation rates, these bioelectronics exhibit an ultrahigh sensitivity of 53 kPa, a pressure detection range from 58.4 to 960 Pa, a fast response time of 38 ms, and excellent cycle stability over 50 000 cycles. Furthermore, this conformally skin-adhered sensor successfully demonstrates the monitoring of human physiological signals and movement states, such as wrist pulse, throat activity, spinal posture, and gait recognition. Evidently, this hierarchically microstructure-bioinspired and amplified sensitivity piezoresistive sensor provides a promising strategy for the rapid development of next-generation wearable bioelectronics.
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柔性压力传感器可以附着在人体皮肤感知外界压力信号,且具有传感范围广、响应时间短、灵敏度和耐久性高等特点,因此被广泛应用于电子皮肤和人机交互等领域。柔性压力传感器通常由柔性基底、活性材料、导电电极组成。其中,一种或多种活性材料通过与柔性基底复合形成传感材料,其受外界刺激产生的变形会引起阻值等变化,进而实现传感功能。此外,通过引入微结构可增加传感材料的可压缩性以及对微小压力的敏感度,提升传感性能。本文围绕薄膜和织物两类基底,综述了在其中掺杂碳基、金属基与黑磷基等活性材料的柔性压力传感器的研究,重点论述了不同传感器的制备方法、机电性能与应用场景,总结了各类传感器的优缺点。在此基础上,对未来智能可穿戴柔性压力传感器如何实现宽范围压力检测、商业化以及制作流程无毒化与长时期生物相容性实验等方面的研究做出了展望。
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王玲, 战鹏弘, 刘文勇. 互联网时代的弄潮儿——可穿戴医疗设备[J]. 科技导报, 2017, 35(2):12-18.
随着移动医疗的强势兴起、智能传感等新技术的发展以及个性化健康观念的普及,智能可穿戴设备近年来发展迅速,其中与健康医疗相关的可穿戴设备已成为最有前景的领域之一。本文从可穿戴医疗设备涉及的新型材料技术、智能传感技术、无线数据传输技术、低功耗电路设计技术、能源采集与存储技术和大数据分析技术等方面,综述了可穿戴医疗设备关键技术的最新进展,并分析了该领域未来的趋势和面临的挑战。
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针对数据服务器不可信时,直接收集可穿戴设备多维数值型敏感数据有可能存在泄露用户隐私信息的问题,通过引入本地差分隐私模型,提出了一种可穿戴设备数值型敏感数据的个性化隐私保护方案。首先,通过设置隐私预算的阈值区间,用户在区间内设置满足个人隐私需求的隐私预算,同时也满足了个性化本地差分隐私;其次,利用属性安全域将敏感数据进行归一化;最后,利用伯努利分布分组扰动多维数值型敏感数据,并利用属性安全域对扰动结果进行归一化还原。理论分析证明了该算法满足个性化本地差分隐私。实验结果表明该算法的最大相对误差(MRE)明显低于Harmony算法,在保护用户隐私的基础上有效地提高了不可信数据服务器从可穿戴设备收集数据的可用性。
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