事實證明，由兩個廉價傳感器制成的系統(tǒng)在測量活動期間燃燒的卡路里方面比智能手表更準(zhǔn)確——并且可以在線免費獲得自行制作該系統(tǒng)的說明。斯坦福大學(xué)的工程師開發(fā)了一種新的卡路里燃燒測量系統(tǒng)，它體積小、價格便宜且準(zhǔn)確。此外，人們可以自己制作。雖然智能手表和智能手機(jī) 在計算活動期間消耗的卡路里時往往會降低 40% 到 80%，但該系統(tǒng)的平均誤差為 13%。

斯坦福大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)研究生帕特里克·斯萊德 (Patrick Slade) 表示：“我們構(gòu)建了一個緊湊型系統(tǒng)，并與代表美國人口的不同參與者進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)它的表現(xiàn)非常好，誤差只有智能手表的三分之一左右。”他是有關(guān)這項工作的論文的主要作者， 發(fā)表 在Nature Communications 上。

這項研究的一個關(guān)鍵部分是了解其他可穿戴卡路里計數(shù)器的一個基本缺點：它們依賴于手腕運動或心率，盡管兩者都不是特別指示能量消耗。(考慮一杯咖啡如何提高心率。)研究人員假設(shè)腿部運動會更有說服力——他們的實驗證實了這一想法。

有實驗室級系統(tǒng)可以通過測量呼吸中二氧化碳和氧氣的交換率來準(zhǔn)確估計一個人在體育活動中消耗的能量。這種設(shè)置用于評估健康和運動表現(xiàn)，但它們涉及笨重、不舒服的設(shè)備，并且可能很昂貴。這種新的可穿戴系統(tǒng)只需要腿上的兩個小型傳感器、一個電池和一個便攜式微控制器(一臺小型計算機(jī))，制造成本約為 100 美元。 組件列表 和 用于制作系統(tǒng)的代碼都可用。

“這是一個很大的進(jìn)步，因為到目前為止，需要兩到六分鐘和一個防毒面具才能準(zhǔn)確估計一個人燃燒的能量，”工程學(xué)院 James H. Clark 教授Scott Delp說 ，誰是該論文的共同作者。“借助帕特里克的新工具，我們可以估算出奧運運動員在沖向終點線時每走一步所消耗的能量，從而衡量是什么推動了他們的最佳表現(xiàn)。我們還可以計算從心臟手術(shù)中恢復(fù)的患者所消耗的能量，以更好地管理他們的運動。”

看著腿

人們?nèi)绾稳紵防锖軓?fù)雜，但研究人員有一種預(yù)感，腿上的傳感器將是深入了解這一過程的簡單方法。

“傳統(tǒng)智能手表的一個問題是它們只能從你手腕的運動和心率中獲取信息，”該論文的合著者、斯坦福大學(xué)航空航天學(xué)副教授Mykel Kochenderfer說 。“Patrick 的設(shè)備具有較低的錯誤率這一事實是有道理的，因為它可以檢測您腿部的運動，而您的大部分能量都被腿部消耗了。”

研究人員設(shè)計的系統(tǒng)非常簡單。它由兩個小型傳感器組成——一個在大腿上，一個在一條腿的小腿上——由臀部上的微控制器運行，可以很容易地被智能手機(jī)取代。這些傳感器被稱為“慣性測量單元”，可測量腿在移動時的加速度和旋轉(zhuǎn)。它們特意輕巧、便攜且成本低，因此它們可以輕松集成到不同的形式中，包括服裝，例如智能褲。

為了針對類似技術(shù)測試該系統(tǒng)，研究人員讓研究參與者佩戴它，同時還佩戴兩個智能手表和一個心率監(jiān)測器。連接所有這些傳感器后，參與者進(jìn)行了各種活動，包括步行、跑步、騎自行車、爬樓梯以及在步行和跑步之間轉(zhuǎn)換的各種速度。當(dāng)所有可穿戴設(shè)備與實驗室級系統(tǒng)捕獲的卡路里燃燒測量值進(jìn)行比較時，研究人員發(fā)現(xiàn)他們的基于腿部的系統(tǒng)是最準(zhǔn)確的。

通過在不同年齡和體重范圍內(nèi)的十幾名參與者身上進(jìn)一步測試該系統(tǒng)，研究人員收集了大量數(shù)據(jù)，斯萊德用這些數(shù)據(jù)來進(jìn)一步完善計算卡路里燃燒估計值的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。該模型從傳感器獲取有關(guān)腿部運動的信息，并使用從之前的數(shù)據(jù)中學(xué)到的知識來計算用戶每個時刻消耗的能量。而且，雖然當(dāng)前最先進(jìn)的系統(tǒng)需要在實驗室環(huán)境中連接到面罩的人提供大約 6 分鐘的數(shù)據(jù)，但這種自由范圍的替代方案只需幾秒鐘的活動即可運行。

“你每天采取的許多步驟都是在 20 秒或更短的時間內(nèi)完成的，”斯萊德說，他提到做家務(wù)是經(jīng)常被忽視的短時間活動的一個例子。“能夠捕捉這些簡短的活動或活動之間的動態(tài)變化真的很有挑戰(zhàn)性，目前沒有其他系統(tǒng)可以做到這一點。”

開放式設(shè)計

對這個團(tuán)隊來說，簡單性和可負(fù)擔(dān)性很重要，公開設(shè)計也很重要，因為他們希望這項技術(shù)可以支持人們理解和照顧他們的健康。

Kochenderfer 說：“我們正在開源一切，希望人們能夠接受它并運行它并制造可以改善公眾生活的產(chǎn)品。”

他們還相信，該系統(tǒng)的簡單性、可負(fù)擔(dān)性和便攜性可以支持更好的健康政策和人類表現(xiàn)研究的新途徑。由機(jī)械工程副教授、本文資深作者史蒂夫柯林斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組 已經(jīng)在使用類似的系統(tǒng)來研究可穿戴機(jī)器人系統(tǒng)所消耗的能量 ，以提高性能。

“最令人興奮的事情之一是我們可以跟蹤動態(tài)變化的活動，這些精確的信息將使我們能夠提供更好的政策來推薦人們應(yīng)該如何鍛煉或控制體重，”斯萊德說。

“它開啟了我們可以對人類表現(xiàn)進(jìn)行的全新研究，”同時兼任生物工程和機(jī)械工程教授的德爾普說。“走路時燃燒多少能量，騎自行車時跑步時燃燒多少能量——所有這些都是基本的。當(dāng)我們擁有這樣的新工具時，它為發(fā)現(xiàn)有關(guān)人類表現(xiàn)的新事物打開了一扇新的大門。”

標(biāo)簽： 可穿戴卡路里燃燒計數(shù)器