工程师设计了一个精确的可穿戴卡路里燃烧计数器

事实证明，由两个廉价传感器制成的系统在测量活动期间燃烧的卡路里方面比智能手表更准确——并且可以在线免费获得自行制作该系统的说明。斯坦福大学的工程师开发了一种新的卡路里燃烧测量系统，它体积小、价格便宜且准确。此外，人们可以自己制作。虽然智能手表和智能手机 在计算活动期间消耗的卡路里时往往会降低 40% 到 80%，但该系统的平均误差为 13%。

斯坦福大学机械工程专业研究生帕特里克·斯莱德 (Patrick Slade) 表示：“我们构建了一个紧凑型系统，并与代表美国人口的不同参与者进行了评估，发现它的表现非常好，误差只有智能手表的三分之一左右。”他是有关这项工作的论文的主要作者， 发表 在Nature Communications 上。

这项研究的一个关键部分是了解其他可穿戴卡路里计数器的一个基本缺点：它们依赖于手腕运动或心率，尽管两者都不是特别指示能量消耗。(考虑一杯咖啡如何提高心率。)研究人员假设腿部运动会更有说服力——他们的实验证实了这一想法。

有实验室级系统可以通过测量呼吸中二氧化碳和氧气的交换率来准确估计一个人在体育活动中消耗的能量。这种设置用于评估健康和运动表现，但它们涉及笨重、不舒服的设备，并且可能很昂贵。这种新的可穿戴系统只需要腿上的两个小型传感器、一个电池和一个便携式微控制器(一台小型计算机)，制造成本约为 100 美元。 组件列表 和 用于制作系统的代码都可用。

“这是一个很大的进步，因为到目前为止，需要两到六分钟和一个防毒面具才能准确估计一个人燃烧的能量，”工程学院 James H. Clark 教授Scott Delp说 ，谁是该论文的共同作者。“借助帕特里克的新工具，我们可以估算出奥运运动员在冲向终点线时每走一步所消耗的能量，从而衡量是什么推动了他们的最佳表现。我们还可以计算从心脏手术中恢复的患者所消耗的能量，以更好地管理他们的运动。”

看着腿

人们如何燃烧卡路里很复杂，但研究人员有一种预感，腿上的传感器将是深入了解这一过程的简单方法。

“传统智能手表的一个问题是它们只能从你手腕的运动和心率中获取信息，”该论文的合著者、斯坦福大学航空航天学副教授Mykel Kochenderfer说 。“Patrick 的设备具有较低的错误率这一事实是有道理的，因为它可以检测您腿部的运动，而您的大部分能量都被腿部消耗了。”

研究人员设计的系统非常简单。它由两个小型传感器组成——一个在大腿上，一个在一条腿的小腿上——由臀部上的微控制器运行，可以很容易地被智能手机取代。这些传感器被称为“惯性测量单元”，可测量腿在移动时的加速度和旋转。它们特意轻巧、便携且成本低，因此它们可以轻松集成到不同的形式中，包括服装，例如智能裤。

为了针对类似技术测试该系统，研究人员让研究参与者佩戴它，同时还佩戴两个智能手表和一个心率监测器。连接所有这些传感器后，参与者进行了各种活动，包括步行、跑步、骑自行车、爬楼梯以及在步行和跑步之间转换的各种速度。当所有可穿戴设备与实验室级系统捕获的卡路里燃烧测量值进行比较时，研究人员发现他们的基于腿部的系统是最准确的。

通过在不同年龄和体重范围内的十几名参与者身上进一步测试该系统，研究人员收集了大量数据，斯莱德用这些数据来进一步完善计算卡路里燃烧估计值的机器学习模型。该模型从传感器获取有关腿部运动的信息，并使用从之前的数据中学到的知识来计算用户每个时刻消耗的能量。而且，虽然当前最先进的系统需要在实验室环境中连接到面罩的人提供大约 6 分钟的数据，但这种自由范围的替代方案只需几秒钟的活动即可运行。

“你每天采取的许多步骤都是在 20 秒或更短的时间内完成的，”斯莱德说，他提到做家务是经常被忽视的短时间活动的一个例子。“能够捕捉这些简短的活动或活动之间的动态变化真的很有挑战性，目前没有其他系统可以做到这一点。”

开放式设计

对这个团队来说，简单性和可负担性很重要，公开设计也很重要，因为他们希望这项技术可以支持人们理解和照顾他们的健康。

Kochenderfer 说：“我们正在开源一切，希望人们能够接受它并运行它并制造可以改善公众生活的产品。”

他们还相信，该系统的简单性、可负担性和便携性可以支持更好的健康政策和人类表现研究的新途径。由机械工程副教授、本文资深作者史蒂夫柯林斯领导的研究小组 已经在使用类似的系统来研究可穿戴机器人系统所消耗的能量 ，以提高性能。

“最令人兴奋的事情之一是我们可以跟踪动态变化的活动，这些精确的信息将使我们能够提供更好的政策来推荐人们应该如何锻炼或控制体重，”斯莱德说。

“它开启了我们可以对人类表现进行的全新研究，”同时兼任生物工程和机械工程教授的德尔普说。“走路时燃烧多少能量，骑自行车时跑步时燃烧多少能量——所有这些都是基本的。当我们拥有这样的新工具时，它为发现有关人类表现的新事物打开了一扇新的大门。”

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