Эволюция датчиков в смарт-часах: от шагомеров до HUAWEI X-TAP

Современные смарт-часы превратились в мощные миниатюрные приборы мониторинга здоровья. Ещё 20 лет назад носимые устройства могли лишь считать шаги, а сегодня на нашем запястье доступен целый набор датчиков — от измерения пульса и уровня кислорода в крови до снятия электрокардиограммы. Недавно компания HUAWEI представила часы WATCH 5 с инновационным сенсором X-TAP, что стало хорошим поводом проследить путь развития датчиков.

От шагомера Леонардо да Винчи до первых фитнес-трекеров

Идея носимого счетчика шагов зародилась задолго до электроники. Известно, что Леонардо да Винчи ещё в XV веке придумал концепцию механического шагомера, а к концу XVI века действительно появились наручные механические устройства для подсчёта шагов. Большой прорыв в подсчёте шагов произошёл в середине 1960-х, когда японский доктор Ивао Оя обеспокоился малой подвижностью соотечественников и предложил решение: каждый должен проходить 10 000 шагов в день. Инженер Юри Като из компании Yamasa в 1965 году выпустил Manpo-Kei — первый коммерческий шагомер на 10 тысяч шагов. Устройство произвело настоящий фурор. И хотя последующие исследования показали, что число 10 000 шагов является скорее случайным, оно сохранилось до наших дней. По сути, механический шагомер стал первым носимым фитнес-устройством, а концепция ежедневной активности — основой для всех будущих трекеров.

Другим важным этапом в становлении носимой электроники стали датчики для спортсменов. В 1982 году финская фирма Polar начала производить нагрудные пульсометры — ремни с датчиком частоты сердечного ритма, передающим данные на часы-приёмник. Это позволило атлетам отслеживать пульс во время тренировки прямо на запястье, что стало революционным для своего времени: вместо субъективных ощущений спортсмены получили объективные данные о работе сердца, что улучшало анализ тренировок и результатов. Таким образом, к 1980-м годам сформировались две ключевые технологии носимых датчиков — шагомеры для общей активности и пульсометры для контроля интенсивности нагрузок.

Появление фитнес-браслетов: акселерометры и оптические пульсометры

С бурным развитием электроники и миниатюризацией сенсоров носимые устройства стали умнеть. Фитнес-трекеры переросли примитивные шагомеры и обзавелись цифровыми датчиками. Так, типичный трекер движения начала 2010-х уже содержал трёхосевой акселерометр (для счёта шагов и оценки пройденной дистанции) и альтиметр (барометр) для подсчёта этажей подъёма. Эти сенсоры позволяли оценивать скорость и пройденное расстояние, расход калорий, а также отслеживать продолжительность и качество сна по движениям тела. Одним из пионеров здесь стала компания Fitbit: её ранние браслеты считали шаги и измеряли качество сна, мотивируя пользователей двигаться больше посредством создания целей по шагам и виртуальных наград. Параллельно в 2006 году Nike совместно с Apple выпустили датчик Nike+iPod — шагомер для кроссовок, передававший данные на плеер iPod, что задало моду на цифровое отслеживание бега и позволило делиться достижениями в соцсетях.

К 2010 году развитие смартфонов и датчиков подготовило почву для массового распространения носимых фитнес-устройств — технически стало возможно встроить сразу несколько сенсоров в компактный браслет и синхронизировать большие объёмы данных с приложениями на смартфоне в реальном времени. Важным усовершенствованием стал переход от механического подсчёта шагов к точным электронным акселерометрам, которые гораздо точнее регистрируют шаги, чем пружинные механизмы старых шагомеров. Добавление же барометрического датчика дало возможность оценивать изменения высоты — например, считать, сколько лестничных пролётов пользователь прошёл за день.

Постепенно в фитнес-браслеты интегрировались и датчики сердечного ритма. Изначально пульс измерялся только нагрудными поясами, но пользователи хотели избавиться от неудобных ремней. Решение пришло в виде оптического датчика пульса (PPG) — зелёные светодиоды и фотодетектор, считывающие изменения кровотока в капиллярах запястья. Первые модели наручных оптических пульсометров появились около 2012–2013 годов. А в 2014 году сразу несколько брендов внедрили оптический пульсометр в свои носимые устройства.

Смарт-часы первой волны: фокус на фитнес

К середине 2010-х носимая электроника совершила качественный скачок с выходом полноценных смарт-часов. Первые смарт-часы начала 2010-х (такие как Pebble) выполняли в основном функции доставки на запястье уведомлений и простейшего трекинга, но довольно быстро данные устройства стали активно следить за активностью и здоровьем пользователя.

В 2013–2014 годах на рынок вышли смарт-часы на Android Wear и Tizen (Samsung Gear, Moto 360, LG и др.), и почти все они включали оптический пульсометр для круглосуточного мониторинга пульса. Появление таких продуктов означало, что мониторинг пульса становится стандартной функцией смарт-часов.

Параллельно прогрессировала и начинка фитнес-браслетов. В 2014 году Microsoft выпустила браслет Microsoft Band, ставший показательным примером интеграции максимального числа сенсоров. Этот гаджет представлял собой настоящий комбайн здоровья: он содержал 10 разных датчиков, включая GPS для отслеживания маршрута, акселерометр и гироскоп для измерения активности, оптический PPG-датчик для непрерывного измерения пульса, датчик окружающей освещённости и ультрафиолетовый сенсор для оценки уровня солнечного излучения, термометр, ёмкостный сенсор прикосновения и даже датчик проводимости кожи (GSR) для считывания потоотделения и оценки стресса. Такой набор впечатляет даже по современным меркам.

То есть уже в середине 2010-х носимые устройства научились комплексно отслеживать состояние человека. Кроме того, в часах появились полезные функции безопасности — например, обнаружение падения. Современные часы способны по резкому характерному ускорению распознать, что человек упал, и если он не двигается, автоматически уведомить близких или службы экстренной помощи.

Медицинские функции: ЭКГ и пульсоксиметр на запястье

Новый виток эволюции носимых сенсоров стартовал, когда смарт-часы перешли от сугубо фитнес-задач к медицинским измерениям. Ключевым событием стало внедрение в 2018 году функции ЭКГ (электрокардиограммы). Первыми это сделала Apple в своих Watch Series 4 — часы получили электроды на задней крышке и в заводной головке — замкнув цепь прикосновением пальца, пользователь мог снять одноканальную ЭКГ прямо на запястье. Данные ЭКГ сразу анализировались на наличие признаков аритмии, и при обнаружении пробл емы часы выдавали предупреждение пользователю. Эта функция открыла новую эру превентивной цифровой медицины: тысячи людей сумели вовремя обнаружить у себя нарушения сердечного ритма и обратиться к врачу ранее, чем это привело бы к серьёзным последствиям. Теперь подобные ЭКГ-датчики есть и в часах других компаний, в том числе HUAWEI , Samsung, Fitbit и других брендов.

Другим важным новшеством конца 2010-х стал пульсоксиметр — датчик уровня кислорода в крови (SpO₂). Ранее подобная функция встречалась только в медицинских приборах, но миниатюризация позволила встроить нужные красные или ИК-светодиоды и фотодиоды в часы. Некоторые спортивные часы (например, Garmin для альпинистов) начали оснащаться пульсоксиметром около 2018 года, однако массовой эта функция стала чуть позже. В 2020 году HUAWEI выпустила HUAWEI Watch GT 2e — свои первые часы с датчиком SpO₂. В том же году этот датчик появился и в Apple Watch.

Насыщение крови кислородом — важный показатель работы дыхательной системы. Смарт-часы могут непрерывно отслеживать SpO₂ во сне и вовремя указывать на возможные эпизоды апноэ (краткой остановки дыхания во сне). Помимо этого пульсоксиметр стал чрезвычайно востребован во время пандемии COVID-19, когда у многих заражённых уровень кислорода падал ещё до появления серьёзных симптомов. Так что часы помогли многим оперативно обратиться за медпомощью.

Стоит отметить, что технологии оптического измерения пульса и кислорода совершенствовались год от года. Например, Apple пришлось применить сложную систему из зелёных, красных и инфракрасных светодиодов разной длины волны и четырёх фотодиодов, а также интеллектуальные алгоритмы, чтобы повысить точность считывания показателей на разных типах кожи. Другие производители тоже разрабатывали собственные решения: более мощные светодиоды, новые оптические схемы, чтобы сигналы пульса и насыщения были устойчивыми даже при движении руки или на морозе. Современные датчики научились проводить замеры не только по требованию пользователя, но и в фоновом режиме, периодически включаясь ночью или в покое, чтобы собирать данные для долгосрочной статистики здоровья. Например, часы могут каждую ночь фиксировать уровень кислорода и строить график, помогающий заметить отклонения, или измерять вариабельность сердечного ритма (HRV) во сне — ключевой показатель восстановления организма.

Помимо измерения пульса и уровня кислорода в крови, умные часы стали постепенно овладевать и другими медицинскими метриками. Так, некоторые модели научились косвенно измерять кровяное давление. Компания Samsung внедрила функцию оценки давления по пульсовой волне: часы делают серию измерений PPG-датчиком и по изменению формы сигнала вычисляют артериальное давление, но для калибровки раз в пару недель всё равно нужен обычный тонометр.

А HUAWEI и вовсе пошла иным путём и разработала модель Watch D с миниатюрной надувной манжетой в ремешке. В часы интегрирован микронасос, который надувает манжету и тем самым имитирует принцип работы классического тонометра. Пользователю же остаётся только расслабить руку, и примерно через 2 минуты часы получат показатели систолического и диастолического давления. Хотя точность такого решения пока уступает полноразмерным медицинским тонометрам, оно даёт неплохое ориентировочное значение. По сути, часы сами подскажут, если давление выходит за рамки нормы, и посоветуют сделать полноценный замер или обратиться к врачу.

Новые показатели здоровья: стресс, температура и состав тела

В 2020-х годах носимые устройства продолжили расширять параметры для мониторинга. Разработчики обратили внимание на такие аспекты, как стресс и общее самочувствие, температура тела, индекс массы тела и др. Например, уже упомянутый датчик электропроводности кожи (GSR) нашёл применение для оценки уровня стресса. Умные часы могут фиксировать малейшие изменения потоотделения на запястье, связанные с реакцией нервной системы. В 2020 году Fitbit Sense стал одним из первых массовых устройств с сенсором EDA (Electrodermal Activity) — прибор определял изменение проводимости кожи. Алгоритмы вычисляют индекс стресса и даже подают сигнал, когда следует сделать паузу и сделать дыхательные упражнения. Некоторые часы (например, Garmin, Apple) используют для этого вариабельность ритма (HRV), измеряемую всё тем же PPG-датчиком: высокий стресс выражается в снижении HRV. Так или иначе, теперь носимая электроника не только считает шаги, но и пытается заглянуть в наше эмоциональное состояние.

Также всё больше смарт-часов в последние годы научились измерять температуру. Казалось бы, определить температуру тела часам сложно: запястье не лучший участок для измерений. Тем не менее, производители внедрили датчики температуры кожи, способные отслеживать её относительные изменения, на основе чего можно заметить лихорадку или переохлаждение. А последние Apple Watch с помощью датчика температуры отслеживают изменения температуры ночью и определяют фазы менструального цикла у женщин.

Отдельно стоит упомянуть прорыв Samsung в области анализа состава тела пользователя. В 2021 году в часы Galaxy Watch 4 был встроен датчик BIA (bioelectrical impedance analysis) — биоимпедансный анализатор, подобный тем, что используются в «умных» напольных весах. Принцип работы: через тело пропускается слабый электрический импульс, и по сопротивлению тканей вычисляется, какая доля массы приходится на жир, мышцы, воду и костную ткань. Samsung реализовала это с помощью электродов на боковых кнопках часов и на задней крышке: пользователь удерживает двумя пальцами обе кнопки, замыкая цепь через тело. Исследования показали, что данные часов коррелируют с результатами профессиональных анализаторов на 97–98 %.

Наконец, современные носимые сенсоры даже выходят за рамки сугубо человеческих показателей и могут считывать данные окружающей среды. Например, некоторые часы имеют датчик уровня освещённости для автоматической подстройки яркости экрана и оценки полученного дневного света, компас для ориентации и даже датчик глубины и давления воды, позволяя использовать часы во время погружений под воду. Таким образом, теперь в одном небольшом устройстве умещается такое количество датчиков, которое ещё пару десятилетий назад потребовало бы целого ящика приборов.

X-TAP — новая ветвь эволюции сенсоров в часах HUAWEI

Компания HUAWEI в середине мая представила смарт-часы WATCH 5, в которых дебютировал модуль HUAWEI X-TAP. Он располагается на боковой стороне корпуса часов и включает сразу несколько сенсоров: датчик ЭКГ, пульсоксиметр и датчик пальцевой фотоплетизмограммы. Такое сочетание позволяет единовременно выполнять комплексный анализ состояния пользователя.

Нужно всего лишь приложить и задержать палец на датчике, что запустит комплексную проверку показателей здоровья — своего рода мини-чекап: пульс, ЭКГ, уровень кислорода в крови, уровень стресса, температура кожи, а также проводится диагностика артериальной жесткости и проверка дыхательной системы (необходимо покашлять несколько раз во время измерения).

Что интересно, пальцевой пульсоксиметр в составе модуля HUAWEI X-TAP работает быстрее того, что расположен на тыльной стороне корпуса часов (и работает в фоновом режиме) — для измерения уровня SpO₂ и пульса новому датчику достаточно примерно десяти секунд. Кроме того, некоторые тесты показывают, что датчик в X-TAP работает точнее — измерения менее подвержены искажениям, которые вызывают движения запястья, да и в целом пульсовая волна на кончике пальца более выраженная.

Кроме того, сенсор X-TAP обеспечивает дополнительные возможности управления устройством. Он распознаёт различные жесты и прикосновения, такие как двойное постукивание, свайп и нажатия разной силы, что делает взаимодействие с часами интуитивным и удобным. Например, можно принять звонок, переключить музыкальный трек или управлять камерой смартфона. За счёт выделенного нейропроцессора все жесты считываются очень точно, так что X-TAP удачно дополняет привычный сенсорный экран, делая взаимодействие с часами ещё удобнее. Кроме того, HUAWEI реализовала и элемент развлечения: через X-TAP можно запускать анимированные циферблаты и простые игры — достаточно специальной серии нажатий.

Таким образом, X-TAP от HUAWEI — не только новый уровень медицинского мониторинга, но и продвинутая система взаимодействия с носимой электроникой, существенно расширяющая её возможности и удобство в повседневной жизни.

В заключение

Итак, модуль X-TAP в HUAWEI Watch 5 можно назвать новой ступенью в эволюции датчиков в носимой электронике. Всего за десятилетие смарт-часы прошли путь от элементарного подсчёта шагов до возможности в любой момент снять ЭКГ, измерить кислород, давление, стресс и множество других параметров. Причём сделали они это ненавязчиво: миллионы людей носят такие устройства ежедневно, практически не чувствуя их присутствия, пока те в фоновом режиме охраняют их здоровье.

Конечно, прогресс не стоит на месте. В ближайшем будущем нас ждут ещё более продвинутые сенсоры — индустрия уже работает над неинвазивными глюкометрами, способными измерять уровень сахара в крови без прокола. Но уже сейчас очевидно: носимая электроника совершила революцию в превентивной медицине и фитнесе. Ежедневный мониторинг активности и сна помогает нам становиться более энергичными и дисциплинированными. Постоянный контроль пульса и давления даёт шанс вовремя заметить отклонения и предотвратить болезни. А если случается экстренная ситуация, умные часы могут буквально спасти жизнь, позвав на помощь или предупредив владельца. Всё это стало возможным благодаря той самой эволюции сенсоров.