嬰幼兒健康監測智能穿戴產品設計特點解析

黃 偉

(江西服裝學院 服裝設計學院，江西 南昌 330201)

隨著5G通信、物聯網、芯片和電池技術的快速發展，智能穿戴產品已成為學術界和產業界關注的熱點。據2021年美國市場研究與預測公司公布的數據顯示，2020年全球智能穿戴產品出貨量達到4.447億臺，同比增長28.4%[1]。廣闊的市場前景引來了投資的熱潮，大量國內外IT技術領先企業紛紛投入到智能穿戴產品研發領域，未來市場空間巨大。

近幾年，在國家生育政策的積極推動下，我國嬰兒出生率和自然增長率呈現回升態勢。隨著人們生活水平的提高和消費觀念的轉變，現代家庭的育兒方式與之前大不相同，從最初的吃飽穿暖到科學胎教，從關注幼兒的生理發展到注重幼兒的綜合性發展，人們一直在探索更高效、更科學的育兒方式。年輕父母缺乏哺育嬰幼兒方面的經驗，當嬰幼兒生命體征出現異常或發生緊急狀況時，往往十分焦慮和迷茫，面對育兒過程中遇到的種種問題，年輕父母需要專業的育兒指導和服務，以提高解決實際問題的能力。目前，不同類型與功能的嬰幼兒智能穿戴產品已逐步上市，父母可以遠程監測嬰幼兒的健康和安全狀況，將危險防患于未然，大大減輕了生活壓力和負擔。

本文采用文獻研究法和比較研究法來探討嬰幼兒健康監測智能穿戴產品的設計特點，研究范圍限定在可穿戴設備開始成為智能終端產業熱點的2012—2021年之間的相關研究案例。目的是通過分析嬰幼兒健康監測智能穿戴產品的研究現狀與開發案例，掌握不同類型產品的設計特點和最新開發動向，為嬰幼兒健康監測智能穿戴產品向信息化、便捷性、實用性方向發展提出具體可行的設計建議，并為企業和設計者提供有助于產品設計與開發方面的參考資料。

1 嬰幼兒健康監測智能穿戴產品

嬰幼兒健康監測智能穿戴產品是指可以直接穿戴在人體上的便攜式醫療或健康監測電子設備，具有信息采集、記錄、存儲、傳輸、分析、顯示、調控、干預等功能。嬰幼兒健康監測智能穿戴產品融合了射頻識別(RFID)、紅外線感應器、 全球定位系統(GPS)、傳感器、虛擬現實(VR)、增強現實 (AR)等技術，通過大數據和“互聯網+”云平臺將相關數據進行收集處理并共享，實現與人、環境的實時互動，為嬰幼兒的健康、安全評估提供一種解決方案[2]。

隨著科技進步和高性能、低功耗處理芯片的快速迭代，嬰幼兒健康監測智能穿戴產品的種類逐漸豐富，已從概念化走向商用化。按照產品形態分類，主要有服裝類和飾品類。服裝類可細分為嬰兒連體衣、智能睡衣、智能紙尿褲等；飾品類有智能手表、手環、腳環、帽子、頭帶、體溫計、奶嘴等。按照產品功能分類，可分為醫療類，如血氧儀、心電監護衣等；監測類，如睡眠監測衣、情緒監測服、智能防溺水頭帶等。

2 嬰幼兒健康監測產品的研究現狀

國外對智能穿戴產品的研究起步較早，相繼投入大量的人力和物力，不斷致力于新技術、新工藝、新產品、新材料的研制，取得多項突破性研究成果，涌現出一批科技領先企業，其中兒童智能品牌有美國的Mimo?、Owlet Baby?、Exmovere?、Kiddowear?，日本的Dfree?，韓國的Lineable?、Allb?等。

美國的密西根大學Khan T[3]研發了具有人工智能圖像處理和報警功能智能嬰兒監測設備。該設備利用美國英偉達(NVIDIA)公司生產的Jetson Nano微控制器，配備夜視攝像頭和WiFi連接技術，能夠自動檢測嬰兒睡眠姿勢，不同場景下的測試實驗證明該設備監測數據精確，當嬰兒睡眠姿勢出現異常時能夠自動報警。Jakubas A等[4]開發出紡織傳感器BabyTex，能夠遠程監測嬰幼兒的呼吸頻率、濕度、體溫和活動狀態。美國加州大學Koo H等[5]將柔性壓力傳感器、光學傳感器、運動傳感器、聲控傳感器等負載到服裝上，為兒童自閉癥譜系障礙(ASD) 患者開發出智能服裝“TellMe”，具有改善ASD的功能，只要朝著TellMe上的麥克風發出指令就能激活交互功能，以提升患者的交流能力和語言能力。韓國學者[6]對嬰幼兒智能穿戴設備中傳感器位置合理性進行研究，分別對心率傳感器、溫度傳感器、睡眠監測傳感器的附著位置進行測試，實驗發現：通過改進算法和優化程序性能，能夠避免傳感器的安裝位置誤差。另外，德國、英國、法國、加拿大、日本等發達國家正在著力發展智能設備產業，也取得了部分標志性科研成果。

我國對智能穿戴產品的研究仍處于初期階段，研發和技術尚未成熟，產品種類單一，主要是智能手表、手環。但是，我國5G和物聯網技術處于世界領先水平，為了搶占新一代人工智能發展的重大戰略機遇，構筑我國經濟社會發展新動能，各級政府加大了智能穿戴產品領域的投資力度，取得一定成績，整體呈現蓬勃發展態勢，如涌現出華為技術有限公司、小米科技有限責任公司、小天才科技有限公司等領先企業。

吳宇娟等[7]結合嬰幼兒生理和心理特點,分析嬰幼兒可穿戴設備需要遵循安全性、舒適性、準確性、易用性的設計原則。焦旭東等[8]研發出嬰兒健康監測智能設備，利用光電傳感器和溫度傳感器，分別采集嬰兒的心率和體溫信號，且誤差較小,遇到危機情況時能夠自動報警。張允琳[9]以消費者對嬰幼兒可穿戴產品的感性需求為出發點，對現有產品進行調研分析，獲取了感性需求設計要素，開發出一款嬰幼兒安全監護智能腳環，為嬰幼兒可穿戴產品開發者提供一種設計思路。

3 嬰幼兒健康監測產品設計特點

3.1 形態設計特點

3.1.1 服裝形態的嬰幼兒智能穿戴產品

服裝形態的產品是指穿著在嬰幼兒身體上的可穿戴設備，以常規服裝、睡衣或紙尿褲等形式出現。

2012年美國Exmovere生物醫學工程公司[10]研發一款智能嬰兒服裝，內部裝有體溫計、心律監測器和動作傳感器，設備通過數據管理系統分析，能夠判斷嬰兒的情緒狀態，并將監測信息反饋到手機終端APP，用戶可以了解嬰兒的最新動態。另外，該設備還能對智能嬰兒服裝的潮濕度進行監測，當嬰兒尿濕服裝時，系統及時通知父母為嬰兒更換尿褲。2014年Rest Device公司[11]推出一款負載傳感器的嬰兒連體衣，能夠監測嬰幼兒皮膚的溫度、呼吸頻率、身體姿勢和活動模式。溫度和呼吸傳感器隱藏在服裝內部，通過藍牙對接，設備之間能夠實現交互及遠程操控，并及時將監測信息反饋到手機APP，監護人隨時掌握嬰幼兒的溫度、呼吸和睡眠狀況。2012年中國嬰童品牌i-baby引進德國的Outlast技術開發出智能恒溫睡衣[12]。Outlast技術是一項用于控制宇航服溫度的專利技術，利用特殊的智能調溫材料(PCMs)管理宇航服內部的溫度和濕度，PCMs能夠隨溫度變化實現從固態到液態的相變，當溫度過熱時吸收并儲存多余熱量，過冷時釋放多余熱量，使皮膚表面保持舒適。智能恒溫睡衣自主實現冷熱動態調溫，使嬰幼兒不會因夜間溫度驟變而著涼感冒，始終處于舒適的睡眠環境。

2019年美國麻省理工學院研發智能紙尿褲[13](見圖1)，采用無源射頻識別技術，正面嵌入濕度傳感器，當監測到紙尿褲受潮時，設備會向智能手機發送信息，及時提醒監護人更換紙尿褲。設備負載的濕度傳感器生產成本低廉，僅為2美分，低于其他類型智能紙尿褲的生產成本，有望成為智能紙尿褲領域的主流產品。此款紙尿褲不僅可用于嬰幼兒，還可以用于生活無法自理的老年人群。

圖1 智能紙尿褲Fig.1 Smart diapers

3.1.2 飾品形態的嬰幼兒智能穿戴產品

飾品形態的產品是指配戴在嬰幼兒身體上的智能終端設備，其形態類型豐富，除常見的防走失智能手表、手環等，還有監測嬰幼兒健康狀況的襪子、腳環、臂環、帽子、頭帶、紐扣等。

2017年美國嬰兒健康護理公司Owlet開發出嬰兒智能襪子[14](見圖2)，負載有脈沖傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器，能夠實時監測和記錄嬰兒的心率、皮膚溫度、睡眠質量及位置等信息。另外，Owlet智能襪子搭載有Pulse血氧測量系統，嬰兒睡覺穿上智能襪子，父母通過手機APP適時掌握嬰兒的健康數據，給予嬰兒更全面的呵護。

圖2 智能襪子Fig.2 Smart socks

2013年美國初創公司Sproutling研發嬰兒智能腳環[15](見圖3)，此款設備由藍牙基站、微型照相機以及手機APP軟硬件構成，用于監測嬰兒的呼吸頻率、睡眠質量、環境溫度和光線等數據，監護人通過APP查看監測數據，觀察嬰兒的實時狀態，假設嬰兒出現健康狀態不佳時，手機APP會及時自動報警。

圖3 智能腳環Fig.3 Smart foot ring

2016年美國Neopenda健康公司開發智能嬰兒帽[16](見圖4)，內置多個傳感器，用于監測新生兒的心率、溫度、呼吸頻率和血氧飽和度等生命體征。該款設備可以24 h記錄并存儲新生兒各項生命體征數據，并上傳至定制軟件存儲，醫護人員可以隨時查閱監測數據，如果新生兒生命體征出現異常，設備會迅速發出警報，提醒醫護人員及時進行處理。

圖4 智能嬰兒帽Fig.4 Smart baby hat

2014年美國Arturas Vaitaitis[17]發明了一種名為Monbaby的智能紐扣，內置加速度傳感器和微電子機械系統 (MEMS)，可以精確地檢測并分析嬰幼兒的心率、呼吸頻率、活動量以及睡姿。Monbaby的電池續航時間可達1個多月，并通過藍牙將監測數據傳輸至手機APP，監護人可及時掌握嬰幼兒的健康狀況，如遇突發狀況，設備會向監護人發送提醒信息。另外，監護人可以將數據在線分享給兒科醫生，得到診斷和就醫指導。美國iTherm公司創始人、軟件開發者Marcos Oliva[18]推出智能臂環，用于實時監測嬰幼兒的體溫，監護人只需要將智能臂環穿戴在嬰幼兒上臂，設備會間隔1 min測量1次體溫，并通過搭載的藍牙4.0與手機互聯，用戶隨時查看體溫監測數據。假設嬰幼兒體溫超過37.0 ℃時，手機會自動發出警示信息，提醒監護人嬰幼兒有發燒狀況，需要及時就醫。美國Aquatic Safety Concepts公司[19]在國際消費類電子產品展覽會(CES)上推出一款兒童智能防溺水頭帶。設備自帶溺水檢測系統，內置防水藍牙發射器，支持藍牙與iOS設備互聯，可以幫助監護人監測幼兒的適時狀況，當設備處于水下時間超過預設值時，會及時向監護人手機發送報警信息，提醒監護人關注幼兒在泳池中的狀況，有效預防和減少溺水事故發生。

3.1.3 嬰幼兒其他形態智能穿戴產品

根據產品的使用方式，其他形態的智能穿戴產品細分為粘合型和接觸型。粘合型以美國的Blue Spark 公司推出的無線粘合溫度計(Temp Traq)和美國食品和藥品管理局(FDA)認證醫療級可穿戴設備兒童智能體溫計(Fever Scout)為代表。接觸型產品以防范嬰兒猝死綜合征(SIDS)為設計目的，以韓國All About Baby公司推出的Myallb智能監測器和英國的Pacifi-i智能奶嘴為代表。

Temp Traq產品的使用方式如同創可貼，可以直接粘貼在嬰幼兒身體上，設備內置藍牙和溫度計，能夠持續測量嬰幼兒的體溫，并將監測數據無線傳輸至HIPAA兼容的云平臺存儲，監護人隨時可以在手機APP上讀取數據，假設嬰幼兒體溫超過預設值范圍，設備會向APP發出警告[20]。

Fever Scout醫用級別貼片體溫計采用聚氨酯(PU)和柔性有機硅樹脂制成，內置VivaLnk維靈公司生產的eSkin數字健康高端傳感器，可以無線連接移動設備和云平臺，能夠持續監測人體體溫、心率、呼吸頻率、睡眠狀態等生理數據[21]。Fever Scout貼片粘貼在嬰幼兒腋下，可以遠程24 h監測體溫，數據精確到±0.1 ℃，當嬰幼兒體溫超出正常范圍時，監護人的移動設備會收到警示信息。All About Baby造型類似圓形鋸齒狀夾子(見圖5)，穩定夾持在紙尿褲上，內置加速度傳感器和傾斜傳感器，通過藍牙發射器與移動終端設備連接，能夠24 h監測嬰幼兒的呼吸頻率、活動量及睡眠姿勢，假設嬰幼兒摔倒或睡眠姿態異常時，智能手機會收到警報[22]。

圖5 智能監測器Fig.5 Smart monitor

英國Blue Maestro公司研發了Pacifi-i智能奶嘴[23]，形狀與普遍的奶嘴相同，內置溫度傳感器，連接智能手機APP，可以追蹤智能奶嘴的實時溫度，如果嬰幼兒體溫過高時，APP會及時提醒監護人采取相應措施。

3.2 功能設計特點

3.2.1 監測嬰幼兒健康狀況及存儲數據

嬰幼兒的心率、呼吸頻率、血氧飽和度、體溫、睡眠質量等是確認其健康狀況的重要指標。大部分嬰幼兒智能穿戴產品均具有健康監測和數據存儲功能，尤其是服裝和飾品形態的智能穿戴產品，由于傳感器附著位置與嬰幼兒的身體接觸緊密，所以監測和分析的生理數據更加精準。嬰幼兒身體機能還未發育成熟，很難依靠自身力量保持身體平衡，容易出現因睡眠姿態異常而導致呼吸困難。Rest Device嬰兒連體衣和Owlet智能襪子可以監測嬰幼兒的睡眠姿態、位置，還可以監測到嬰幼兒是睡眠狀態還是非睡眠狀態。另外，Temp Traq溫度計、Fever Scout體溫計和Pacifi-i智能奶嘴，主要功能是持續測量嬰幼兒的體溫，并進行監測、分析和存儲。Myallb智能監測器搭載有摔倒、睡眠姿態測定功能，防止了嬰兒睡眠呼吸中止癥發生，或因睡眠姿態異常而窒息。

大部分嬰幼兒智能穿戴產品應用藍牙技術與移動終端設備互聯，都具有傳輸、分析和儲存數據功能，實現監測和預警功能，有效保障了嬰幼兒的生命安全。

3.2.2 提供育兒幫助及警示信息

嬰幼兒智能穿戴產品負載的傳感器、微型芯片等電子元件，能夠對突發事件做出預判和發送警示信息，對育兒提供指導與幫助。例如兒童智能頭帶有防止幼兒溺水的功能，當設備處于水下時間過長時，會向監護人報告急救需求。防走失智能手表能夠實時定位兒童的位置，監護人通過手機APP設定20～200 m的直徑電子圍欄，當幼兒離開預設的電子圍欄范圍時，GPS定位裝置會向監護人發送警示信息。iTherm智能臂環、Sproutling智能腳環和Neopenda智能嬰兒帽等設備，均能夠監測嬰幼兒的生理數據，發生異常時會發出警報。

3.3 材料設計特點

3.3.1 純棉或低刺激性材料

棉纖維具有良好的吸濕性、保濕性及耐熱性，與皮膚接觸無任何刺激性，不會導致皮膚過敏，所以大部分嬰幼兒智能穿戴產品都會使用純棉纖維制作，例如Exmovere智能嬰兒服裝、Rest Device嬰兒連體衣和i-baby智能恒溫睡衣等產品；Owlet的嬰兒智能襪子則采用醫療級別紗線和低刺激性有機棉制成，達到全球有機紡織品標準 ，是消費者可信賴的產品。

3.3.2 醫療級別硅膠材料

與嬰幼兒皮膚直接接觸的粘合型和接觸型智能穿戴產品，均使用對皮膚不會產生刺激的材料制備。例如Sproutling研發的嬰兒智能腳環，采用醫用硅膠材料制作，無毒無味，耐生物老化，對人體組織的反應很小。粘合型Fever Scout兒童智能體溫計采用聚氨酯(PU)和柔性有機硅樹脂制成，具優異的熱氧化穩定性、防霉菌等特性。接觸型Pacifi-i智能奶嘴采用食品級硅膠材質制作，硬度彈性適中，無色無味無毒，有效幫助幼兒牙齦發育。

3.3.3 安全性的電子元件

嬰幼兒智能穿戴產品具有感知、識別、分析、無線通信等功能，設備本體負載有低頻、低輻射電子元件，開發者需要充分考慮電磁污染對嬰幼兒健康產生的影響。醫學研究證明，長期處于高電磁輻射的環境中，可導致嬰幼兒智力殘缺，會使血液、淋巴液和細胞原生質發生改變，誘發多種疾病[24]。因此，開發嬰幼兒智能穿戴產品必須使用低頻、低輻射、高效率的電子元件，以保障產品的綠色性和安全性。例如Monbaby智能紐扣、Temp Traq粘合溫度計、兒童智能防溺水頭帶等設備均使用了高性能、低能耗、超低輻射的藍牙芯片，對嬰幼兒健康不會產生影響。

4 嬰幼兒健康監測產品設計建議

嬰幼兒健康監測智能穿戴產品市場前景廣闊，通過對研究現狀及設計特點的分析，提出以下幾點設計建議。

①注重設計與科技的結合。在形態設計方面，根據嬰幼兒的生理習慣及喜好度進行設計，掌握智能穿戴設備的科技發展趨勢，盡可能應用新技術、新材料，提高產品科技含量，升級消費體驗，提升產品競爭力；在功能設計方面，調研消費者的功能需求，細分健康監測產品的類型，拓展更多實用功能，如互動功能、娛樂功能、可視化功能、遠程醫療診斷功能等。在材料設計方面，使用對嬰幼兒健康無害的綠色材料，以及安全性高的電子元件。

②注重軟件和硬件的結合。嬰幼兒健康監測智能穿戴產品通過收集和分析用戶身體的數據，對健康狀況做預判，并給出預防建議，其系統方案是由“終端開發+應用服務器+手機應用端”3部分構成。產品開發者首先解決硬件供應鏈、模具、調試等方面的問題，然后結合產品功能和用戶需求開發手機應用端，打通軟硬件之間的壁壘，融合雙方優勢，做好每一個細分領域，使硬件、軟件、云平臺、云服務各環節都達標。

③以用戶需求為導向設計產品，保持創新優勢和競爭優勢。設計者要具備一定的嬰幼兒養育經驗，了解父母在育兒過程中遇到的困惑，掌握消費者對設備配置、價格、功能和服務方面的需求，精準抓住用戶消費心理。

④提升產品的服務設計水平。為了達到嬰幼兒智能穿戴產品易用、滿意、信賴、有效的服務目的，開發者要定期維護和更新軟硬件系統，對用戶傳遞的服務需求予以重視，建立用戶回訪機制和溝通渠道，了解用戶使用建議，提升用戶體驗，改善產品服務水平，創造新的服務方式。

⑤構建“互聯網+”智能監測數據云平臺，實現用戶與醫生零距離交流，增強互動體驗。當嬰幼兒健康出現異常時，醫生能夠及時遠程診斷，為用戶提出初步處理意見，提高用戶管理嬰幼兒健康的能力。

5 結束語

近幾年，我國在智能穿戴產品方面的研究呈現蓬勃發展趨勢，隨著智能化產品逐漸融入人們的生活，嬰幼兒健康監測智能穿戴產品獲得越來越多年輕父母的青睞。本文采用文獻研究法和比較研究法，對嬰幼兒健康監測智能穿戴產品的分類和研究現狀進行綜述，重點從產品形態、功能、材料3個方面，對嬰幼兒健康監測智能穿戴產品的設計特點進行研究，得出嬰幼兒健康監測智能穿戴產品能夠為父母(監護人)提供嬰幼兒心理、生理健康方面的信息，有效保障嬰幼兒的生命安全，減輕父母的育兒負擔與壓力。我國開發的嬰幼兒健康監測智能穿戴產品類型和功能單一，應該加強系列化和差異化產品的開發力度，注重對嬰幼兒身體無刺激性綠色材料的使用與研發，加快產業轉型與升級，加快發展新一代人工智能技術，構筑我國經濟社會發展新動能。