用呼吸寫書法，從偵測地雷到「讀心」的UWB

2015/04/08 |

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文／劉珈均

紓壓音樂、駕駛狀態偵測、紓壓椅、運動計步器等等看似不相關的發明，都與「心跳」相關聯，而背後核心感測技術一開始是偵測地雷用的，這是怎麼回事呢？量測技術發展中心十幾年來研究非接觸式的生理感測技術，藉UWB與NPNS感測、解析生理訊號，研發一系列有趣而實用應用服務，已獲得67件專利。

「UWB（Ultra Wideband，超寬頻雷達感測技術）」與藍芽、Wi-Fi一樣，都用於無線短程訊號傳輸，而UWB其原理是低功率雷達，當受測目標產生脈動，發射與返回的脈衝信號時間間距也跟著變動，在適當距離內（約1公尺），UWB可透過微小變動偵測呼吸心跳等生理訊號，便成為非接觸式的感測器，不須緊貼皮膚，可隔著衣料感測，不受配戴形式或雜訊影響，特別適合需要密切監控生理訊號的對象如嬰幼兒、疾病患者。

量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩。

團隊研究UWB已15年，工研院一開始與俄國航太大學合作研究，UWB早期作為軍事用途，如地毯式搜查地面下是否埋有地雷。「從出生到老，人對醫療的需求不減。」量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩說，因此團隊研究如何將UWB短程通訊轉而應用在醫療與民生用途，開發各式各樣的應用。

林宏墩說，「心跳」透漏著許多訊息，首先就是生命跡象；另外，一般多用腦波分析評估睡眠狀態，但受試者須配戴一些配件，此舉就可能影響睡眠，若以心跳分析便無此顧慮。心跳資訊可對應於人的睡眠狀態，繼而判斷人的疲勞程度，甚至也可偵測呼吸中止；現代人的保健意識漸漸崛起，注重健康與運動，透過心跳也可評估人們的運動是否有效，結合動作感測器，幫助人們記錄運動狀態的計步器便由此而生；心跳變異也與交感、副交感神經的狀態相應，而交感與副交感神經的活躍程度正是與情緒相扣連，解析心跳便也能初步推導情緒狀態。

林宏墩說，感測人們睡眠時的心跳呼吸也能據此分析睡眠情況，但單單知道呼吸、心跳數值的意義還不大，「我自己也知道我睡眠不好，更重要的是知道以後，要如何解決它。」團隊靠演算法將心跳數值轉為有意義的資訊，再將資訊轉化為後續應用服務。

把UWB嵌入床墊裡便成了智慧床墊，有些人有呼吸中止症，而床墊持續感測心率與呼吸，一發現有狀況發生，便自動微調頭部與頸部傾斜角度，在不打斷睡眠的情況下就能幫助使用者恢復正常呼吸；他們也曾與風潮音樂合作，探討特定旋律舒緩情緒的效果，發行紓壓音樂輯；團隊也研發了一款紓壓椅，椅子埋有UWB生理訊號感測器，即時偵測人的心跳，推導當下情緒壓力指標，並推薦適合舒緩心情的音樂。

文創也是個應用面向，團隊曾在花博館設計一項作品，觀眾站在特定位置，眼前屏幕長了幾棵樹苗，感測到觀眾的心律而生長，蝴蝶也因此從蛹脫出、翩翩飛舞，彷彿觀眾將生命能量傳送給它；書法講究「氣」的流轉，表現在呼吸上就是運息，團隊曾與故宮合作「行氣」，感測器埋於椅子下，人坐上椅子，控制呼吸，面前的投影布幕會自動寫下書法字，字體隨椅上觀眾的呼吸呈現或濃或淡的墨色，觀眾「用呼吸寫書法」，名副其實的具現「行氣」。

回憶印象較深刻的研究過程，林宏墩說，有段時期團隊埋首研究騎腳踏車時的動作感測，成員賣力輪流騎腳踏車，先是在實驗室內騎健身腳踏車，再到路面試試顛簸環境下運作如何，「有成員騎到膝蓋都受傷了！」而研發困難點在於，實際應用場域不若實驗室單純，有許多雜亂的訊息干擾，必須不斷調整。

未來，團隊計畫研究非接觸式的血糖感測，並繼續開發更多應用服務。