科学家们开发了一种采用廉价传感器制成的新系统，用于追踪运动期间消耗的卡路里。
据研究生帕特里克·斯莱德（Patrick Slade）介绍，该设备的误差仅为智能手表的三分之一。
这项研究开发过程中的一个关键步骤是认识到，其他可穿戴设备依赖手腕运动和心率，而这些指标未必能反映能量消耗。
该设备可能为了解人体表现开辟新的研究方法。
研究人员报告称，由两个廉价传感器组成的系统在追踪活动期间消耗的卡路里方面，比智能手表更加准确。
此外，自行制作该系统的说明可在网上免费获取。
智能手表和智能手机在统计活动期间消耗的卡路里时，误差往往在40%至80%左右，而该系统的平均误差为13%。
“我们打造了一套紧凑型系统，并让一群具有代表性的、能够代表美国人口的多元化参与者对其进行了评估，结果发现它表现非常出色，误差约为智能手表的三分之一，”斯坦福大学机械工程专业研究生、该成果论文第一作者帕特里克·斯莱德（Patrick Slade）说道。该论文发表于《Nature Communications》。
这项研究的一个关键发现在于，认识到其他可统计卡路里的可穿戴设备存在一个基本缺陷：它们依赖手腕运动或心率，而这两者都不能很好地反映能量消耗。（不妨想想，一杯咖啡也可能使心率升高。）研究人员推测，腿部运动会更具参考价值，而他们的实验证实了这一设想。
目前已有实验室级系统，能够通过测量呼出气体中二氧化碳与氧气的交换速率，准确估算一个人在体力活动中消耗的能量。此类装置用于评估健康状况和运动表现，但其设备笨重、佩戴不适，且价格可能十分昂贵。
这款新型可穿戴系统仅需在腿部佩戴两个小型传感器、一块电池和一个便携式微控制器（一台小型计算机），制作成本约为100美元。制作该系统所需的组件清单和代码均可获取。
“这是一项重大进展，因为迄今为止，准确估算一个人的能量消耗需要两到六分钟，并且还需要佩戴防毒面具，”工学院教授、论文合著者斯科特·德尔普（Scott Delp）说道。“借助帕特里克的新工具，我们可以在奥运选手冲向终点时逐步估算其每一步消耗的能量，从而衡量是什么在支撑他们的巅峰表现。我们还可以计算心脏手术后康复患者所消耗的能量，以便更好地管理其运动。”
关注腿部，而非手腕
人体如何消耗卡路里较为复杂，但研究人员推测，在腿部安装传感器可能是深入了解这一过程的一种简便方法。
“传统智能手表的一个问题在于，它们只能获取手腕运动和心率的信息，”航空航天工程教授、论文合著者迈克尔·科亨德弗（Mykel Kochenderfer）说道。“帕特里克的设备误差率更低，这是合乎情理的，因为它能够检测腿部运动，而人体大部分能量正是由双腿消耗的。”
该系统的设计刻意从简。它由两个小型传感器构成，一个位于大腿，另一个位于单腿的小腿胫部，并由髋部的微控制器驱动，该微控制器很容易被智能手机取代。这些传感器被称为“惯性测量单元”，用于测量腿部运动时的加速度和旋转。它们经过特意设计，重量轻、便于携带且成本低廉，因此可以方便地集成到各种形式的产品中，包括“智能裤”等服装。智能裤。
为了将该系统与同类技术进行对比测试，研究人员让参与者在佩戴该系统的同时，还佩戴两块智能手表和一个心率监测器。在佩戴所有这些传感器的情况下，参与者进行了多种活动，包括不同速度的步行、跑步、骑自行车、爬楼梯，以及在步行与跑步之间切换。
将所有可穿戴设备与实验室级系统所记录的卡路里消耗数据进行比较后，研究人员发现，他们基于腿部的系统最为准确。
研究人员在十余名不同年龄和体重的参与者身上进一步测试了该系统，收集了大量数据，斯莱德利用这些数据进一步优化了用于计算卡路里消耗估算值的机器学习模型。
该模型从传感器获取腿部运动信息，并依据既往数据所学到的规律，计算用户在每一时刻的能量消耗。与当前最先进的系统相比，后者需要在实验室环境中为受试者佩戴面罩，采集约六分钟的数据，而这种可自由活动的替代方案仅需几秒钟的活动数据即可运行。
“你每天迈出的许多步伐，都发生在20秒或更短的短暂时段内，”斯莱德说道，他以做家务为例，指出这类短时活动往往被人忽视。“能够捕捉这些短暂活动或不同活动之间的动态变化，确实极具挑战性，目前还没有其他系统能够做到这一点。”
开源卡路里计算
这支团队高度重视简便性和经济性，同时也致力于公开设计方案，因为他们希望这项技术能够帮助人们了解并关注自身健康。
“我们将所有内容开源，希望人们能够拿去加以应用，开发出能够改善公众生活的产品，”科亨德弗说道。
他们还认为，该系统的简便性、经济性和便携性有助于推动更完善的健康政策，并为人体表现研究开辟新的途径。由本文资深作者、机械工程副教授史蒂夫·柯林斯（Steve Collins）领导的研究小组，已在使用类似系统研究可穿戴机器人系统在提升表现时所消耗的能量。
“最令人兴奋的一点在于，我们能够追踪动态变化的活动，而这些精确的信息将使我们能够提出更好的政策建议，指导人们如何锻炼或管理体重，”斯莱德说道。
“这为人体表现领域开辟了一系列全新的研究课题，”德尔普说道，他同时也是生物工程和机械工程教授。“你在步行、跑步或骑自行车用力时消耗多少能量——这些都是基础性问题。当我们拥有这样一款新工具时，就为发现人体表现的新知识打开了一扇新的大门。”
本研究获得了美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院以及斯坦福大学研究生奖学金的资助。
