Công nghệ đeo được là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về công nghệ đeo được

Công nghệ đeo được (wearable technology) bao gồm các thiết bị điện tử tích hợp trực tiếp lên cơ thể hoặc quần áo, cho phép thu thập và xử lý dữ liệu sinh lý, hoạt động và môi trường. Thiết bị đeo thường được thiết kế nhỏ gọn, nhẹ, khả năng kết nối không dây (Bluetooth, Wi-Fi, NFC) và vận hành độc lập trong thời gian dài.

Các ứng dụng chính trải dài từ chăm sóc sức khỏe cá nhân, giám sát y tế từ xa đến theo dõi thể thao, huấn luyện vận động, an ninh cá nhân và giải trí. Khả năng cung cấp dữ liệu thời gian thực và phân tích tức thì giúp người dùng hoặc chuyên gia y tế đưa ra quyết định nhanh chóng và chính xác hơn.

Xu hướng phát triển công nghệ đeo được liên kết chặt chẽ với sự bùng nổ của Internet vạn vật (IoT) và trí tuệ nhân tạo (AI). Khi thiết bị đeo thu thập ngày càng nhiều dữ liệu, AI và thuật toán học máy được tích hợp ngay trên thiết bị hoặc đám mây giúp chuyển đổi dữ liệu thô thành thông tin hữu ích, hỗ trợ phân tích sức khỏe, dự đoán sự cố và cá nhân hóa trải nghiệm.

Các tiêu chuẩn an toàn và bảo mật ngày càng được quan tâm, với việc mã hóa dữ liệu và lưu trữ tuân thủ quy định y tế (HIPAA, GDPR) nhằm bảo vệ quyền riêng tư người dùng. Song song đó, khả năng mở rộng hệ sinh thái thiết bị và tính khả thi về chi phí sản xuất là yếu tố then chốt quyết định thành công thương mại của công nghệ đeo được.

Định nghĩa và phân loại

Công nghệ đeo được có thể phân loại theo vị trí đeo, chức năng chính hoặc mức độ thông minh tích hợp. Theo vị trí đeo, thiết bị phổ biến gồm:

• Thiết bị đeo trên cổ tay: đồng hồ thông minh (smartwatch), vòng đeo sức khỏe (fitness tracker), vòng tay theo dõi giấc ngủ.
• Thiết bị đeo gắn trên quần áo: cảm biến dệt may (smart textile), áo giám sát thông số cơ thể, miếng dán sinh học.
• Thiết bị đeo trên đầu hoặc khuôn mặt: kính thông minh (smart glasses), tai nghe theo dõi hoạt động não, mũ bảo hộ thông minh.
• Thiết bị đeo khác: nhẫn thông minh, vòng cổ, băng đô thể thao tích hợp cảm biến.

Theo chức năng chính, có thể phân biệt:

• Giám sát sức khỏe: đo nhịp tim, huyết áp, độ bão hòa oxy, nhiệt độ da.
• Theo dõi hoạt động: đếm bước chân, đo khoảng cách, tính lượng calo tiêu hao.
• Cảnh báo an toàn: phát hiện té ngã, định vị GPS, gửi tín hiệu khẩn cấp.
• Ứng dụng thể thao: phân tích chuyển động, huấn luyện cá nhân hóa, theo dõi hiệu suất.

Theo mức độ thông minh, thiết bị có thể là:

1. Thiết bị cơ bản: chỉ ghi nhận và hiển thị dữ liệu, yêu cầu đồng bộ với ứng dụng di động để phân tích.
2. Thiết bị thông minh cấp độ trung bình: tích hợp bộ xử lý nhúng, lưu trữ tạm thời và phân tích sơ bộ trên thiết bị; có thể tự cảnh báo khi phát hiện chỉ số bất thường.
3. Thiết bị AI on-device: tích hợp bộ xử lý AI, thuật toán học máy cho phân tích nâng cao, nhận dạng mẫu và dự đoán theo thời gian thực mà không cần phụ thuộc kết nối mạng liên tục.

Lịch sử và tiến hóa

Những hệ thống đeo được đầu tiên xuất hiện vào thập niên 1960–1970, chủ yếu phục vụ nghiên cứu y sinh và quân sự. Ví dụ, VeinTruth của MIT phát triển đầu tiên năm 1972 nhằm ghi nhận hoạt động điện sinh học cơ bản khi người dùng vận động.

Đến đầu những năm 2000, sự ra đời của cảm biến MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) và pin lithium-ion đã thúc đẩy mạnh mẽ quá trình thu nhỏ kích thước và kéo dài thời gian sử dụng thiết bị đeo. Năm 2004, Fitbit giới thiệu vòng đeo đầu tiên với khả năng đếm bước chân và giám sát giấc ngủ, mở ra làn sóng thiết bị đeo sức khỏe cá nhân.

Giai đoạn 2010–2015 chứng kiến sự bùng nổ đồng hồ thông minh với sự tham gia của các ông lớn như Apple Watch (2015), Samsung Gear (2013) và Garmin Forerunner. Các thiết bị này không chỉ tích hợp khả năng theo dõi sức khỏe mà còn hỗ trợ thông báo tin nhắn, cuộc gọi và điều khiển nhạc.

Kể từ 2016, xu hướng tích hợp AI on-device và cảm biến chất lượng cao phát triển, cùng với kết nối 4G/5G và tiêu chuẩn Bluetooth Low Energy 5.0. Thiết bị đeo ngày càng đa dạng về form-factor, từ kính thực tế hỗn hợp (Microsoft HoloLens 2016) đến miếng dán sinh học siêu mỏng có thể sử dụng một lần để theo dõi điện giải và glucose.

Kiến trúc và thành phần cơ bản

Một thiết bị đeo được điển hình gồm các thành phần chính:

Thành phần	Chức năng	Yêu cầu chính
Cảm biến	Đo nhịp tim, gia tốc, nhiệt độ, SpO₂, điện sinh học	Độ chính xác cao, tiêu thụ năng lượng thấp
Bộ xử lý nhúng (MCU/SoC)	Xử lý tín hiệu, chạy thuật toán, quản lý cảm biến	Tốc độ xử lý đủ nhanh, tiêu thụ điện tối ưu
Pin & Quản lý năng lượng	Cung cấp điện, sạc nhanh hoặc năng lượng mặt trời	Tuổi thọ pin dài, an toàn, kích thước nhỏ
Kết nối không dây	Bluetooth LE, NFC, Wi-Fi, 4G/5G	Độ trễ thấp, bảo mật, chuẩn kết nối phổ biến
Giao diện người dùng	Màn hình cảm ứng, đèn LED, rung, điều khiển giọng nói	Truy xuất nhanh, tiêu thụ điện thấp

Kiến trúc phần mềm thường bao gồm hệ điều hành thời gian thực (RTOS), thư viện quản lý cảm biến và giao tiếp, thuật toán AI/ML tích hợp để xử lý dữ liệu tại thiết bị, cùng với ứng dụng di động hoặc nền tảng đám mây để phân tích chuyên sâu và lưu trữ dài hạn.

Cảm biến và chức năng chính

Cảm biến tích hợp trong thiết bị đeo được đảm nhiệm vai trò thu thập dữ liệu sinh lý, vận động và môi trường xung quanh. Trong đó, gia tốc kế (accelerometer) và con quay hồi chuyển (gyroscope) ghi nhận chuyển động ba trục, giúp phân tích hoạt động thể chất như chạy, đi bộ hoặc đạp xe.

Cảm biến nhịp tim quang học (PPG) sử dụng đèn LED và cảm biến quang để đo lượng máu chảy qua mao mạch, cho dữ liệu nhịp tim liên tục. Cảm biến độ bão hòa oxy (SpO₂) và nhiệt độ da hỗ trợ giám sát sức khỏe từ xa, cảnh báo sớm thiếu oxy hoặc tăng thân nhiệt bất thường (MDPI Sensors).

Cảm biến điện sinh học (ECG) được tích hợp ở một số đồng hồ thông minh cao cấp, đo tín hiệu điện tim tương tự như máy điện tâm đồ. Ngoài ra, cảm biến áp suất khí quyển và độ ẩm môi trường giúp theo dõi điều kiện xung quanh người dùng, phục vụ ứng dụng leo núi và vận động ngoài trời.

• Accelerometer & Gyroscope: xác định tư thế, bước đi, rung lắc.
• PPG & ECG: theo dõi nhịp tim, phân tích biến cố tim mạch.
• SpO₂ & nhiệt độ: cảnh báo thiếu oxy, sốt, căng thẳng nhiệt.
• GPS & môi trường: định vị, ghi nhận độ cao, áp suất, độ ẩm.

Giao diện người dùng và trải nghiệm (UX)

Giao diện thiết bị đeo phải tối ưu cho màn hình nhỏ, tương tác đơn giản nhưng trực quan. Thông thường, màn hình OLED hoặc AMOLED kích thước dưới 2 inch hiển thị dữ liệu cơ bản như nhịp tim, bước chân, thông báo cuộc gọi và tin nhắn.

Các thao tác chính bao gồm chạm (touch), vuốt (swipe) và cử chỉ xoay khung viền (rotating bezel) trên đồng hồ thông minh. Một số thiết bị hỗ trợ điều khiển bằng nút vật lý hoặc nhận diện giọng nói qua trợ lý ảo tích hợp (ví dụ Alexa, Google Assistant).

Ứng dụng di động đồng bộ đóng vai trò mở rộng, hiển thị biểu đồ phân tích dữ liệu dài hạn và cảnh báo bất thường qua đồ thị hoặc thông báo đẩy. Màn hình dashboard trên điện thoại hoặc web portal thường sử dụng biểu đồ đường (line chart), biểu đồ cột (bar chart) và bảng số liệu để trực quan hóa sức khỏe người dùng.

Ứng dụng thực tiễn

Trong lĩnh vực y tế, thiết bị đeo được dùng giám sát bệnh nhân mãn tính tại nhà, giảm tải cho bệnh viện. Thiết bị ghi nhận nhịp tim, huyết áp và SpO₂ định kỳ, gửi dữ liệu lên hệ thống quản lý bệnh nhân, hỗ trợ bác sĩ điều chỉnh thuốc men kịp thời (IEEE).

Trong thể thao, vận động viên và huấn luyện viên dựa vào dữ liệu nhịp tim, bước chân, quãng đường và phân tích gắng sức để tối ưu hóa lịch trình tập luyện. Các giải pháp phân tích nâng cao tích hợp AI giúp đánh giá VO₂ max, tải tập luyện (training load) và chỉ số hồi phục cơ (recovery index).

Trong môi trường công nghiệp và an ninh, thiết bị đeo cảnh báo té ngã cho công nhân làm việc trên cao, phát tín hiệu khẩn cấp khi phát hiện va chạm mạnh. Thiết bị có GPS theo dõi vị trí, hỗ trợ cứu hộ và quản lý nhân sự trong khu vực nguy hiểm.

• Y tế từ xa: giám sát bệnh nhân tim mạch, đái tháo đường.
• Thể thao chuyên nghiệp: tối ưu hóa hiệu suất và phục hồi.
• An ninh cá nhân: cảnh báo khẩn cấp, định vị khi gặp nguy hiểm.
• Ngành công nghiệp: đảm bảo an toàn lao động, giảm tai nạn.

Thách thức và hạn chế

Thời gian sử dụng pin giới hạn là vấn đề lớn nhất, khi cảm biến liên tục hoạt động và kết nối không dây tiêu tốn năng lượng. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng gồm chế độ ngủ sâu (deep sleep), tối ưu thuật toán xử lý tại thiết bị (edge computing) và sạc nhanh hoặc sạc không dây qua Qi.

Độ chính xác cảm biến chịu ảnh hưởng bởi vị trí đeo, nhiễu động cơ thể và điều kiện môi trường. Ví dụ, PPG dễ bị nhiễu khi đeo lỏng hoặc da bị ướt mồ hôi. Việc hiệu chuẩn định kỳ và thuật toán lọc nhiễu (adaptive filtering) giúp cải thiện chất lượng tín hiệu.

Khả năng chịu nước, bụi và độ bền cơ học cũng là thách thức, nhất là với thiết bị đeo ngoài trời và dưới nước. Tiêu chuẩn IP68 hoặc cao hơn thường được yêu cầu để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định dưới nước sâu và môi trường khắc nghiệt.

Xu hướng tương lai

Vật liệu dệt may thông minh (smart textiles) và cảm biến siêu mỏng (ultra-thin sensors) hướng đến thiết kế không gây khó chịu, có thể gập gọn hoặc giặt được. Các miếng dán sinh học (wearable patches) sử dụng chất liệu mỏng, dính trực tiếp lên da theo dõi điện giải và glucose, hỗ trợ quản lý đái tháo đường.

AI on-device ngày càng phổ biến, với các SoC hỗ trợ Tensor Processing Unit (TPU) siêu nhỏ, chạy mạng neural để phân tích dữ liệu tức thì mà không cần kết nối mạng. Điều này giúp bảo mật dữ liệu và giảm độ trễ phản hồi.

5G/6G và chuẩn kết nối năng lượng thấp mới (BLE 5.2, Matter) mở rộng băng thông và giảm độ trễ, cho phép đồng bộ hóa hàng loạt thiết bị đeo trong môi trường đô thị thông minh (smart city). Đồng thời, công nghệ blockchain được thử nghiệm để ghi nhận bất biến dữ liệu sức khỏe và chứng thực bản quyền phần mềm thiết bị.

Tài liệu tham khảo

• Bao, X., & Dannenberg, R. (2019). Wearable Sensors for Remote Health Monitoring. IEEE Reviews in Biomedical Engineering, 12, 70–85. Link
• Stoppa, M., & Chiolerio, A. (2014). Wearable Electronics and Smart Textiles: A Critical Review. Sensors, 14(7), 11957–11992. Link
• Patel, S., Park, H., Bonato, P., Chan, L., & Rodgers, M. (2012). A review of wearable sensors and systems with application in rehabilitation. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 9, 21. Link
• Rogers, J., & Someya, T. (2017). Wearable Electronics and Photonics. Wiley.
• Wearable Technologies Association. “Industry Insights.” wearable-technologies.com