文／穿山甲

現代人久坐成習，長期盯著手機，出門都有交通工具，「走路」倒成一種奢侈。醫學研究早已指出，適度的運動可以強化心肺功能、促進血液循環與改善睡眠品質。然而，想維持運動習慣並不容易，健身房要付月費，球類運動又得找球場與隊友，金錢與運動模式常成為阻力。

相較之下，走路或慢跑是最親民、最容易執行的運動，只需做好暖身操、繫好鞋帶隨時都能出發。根據衛生福利部的建議，成人每天應走到一萬步，相當於6公里距離，就可以消耗約300大卡熱量，有助於改善心血管與代謝相關疾病。

為了確認步數，許多人會依賴電子產品來幫忙計步。從傳統的夾在腰上的計步器，到現代的智慧手環與手機，這些看似小巧的裝置，背後都藏著精妙的量測原理。

機械震盪 晃動計步



早期的計步器非常簡單，裡頭只有一個小小的擺錘機構。行走時身體會產生震動並晃動擺錘。每當擺錘晃到某個角度，就會碰觸到另一端金屬接點導通電路，讓電子計數器計數，輸出至液晶面板上顯示步數。擺錘隨後也會因為彈片或彈簧回到原位。另一種計數器內部有一塊小磁鐵，這塊小磁鐵也會因為使用者走路而上下震動。另一端則是感應線圈或其它的磁性感測器，當磁鐵接近感應線圈時，磁鐵的磁場會造成線圈磁通量發生變化，根據電磁感應原理產生微弱電流。電路偵測到這個變化後，就會將其記為一步。同樣地，彈性機構也會讓磁鐵復位。

這種設計雖然巧妙，但也有明顯缺點，當你開車在顛簸的馬路上、搖手臂、原地跳躍、甚至拍手，都可能誤判行走步數，只能提供大略的步數估計。

加速度計 智慧計步



現代的智慧手環、手表或手機也可以協助你計算步數，其中應用的核心元件就是加速度感測器。它是一種能偵測物體加速度變化的電子晶片。其原理可以想像成有一個小盒子，中間有一塊重錘，重錘的上下、左右、前後都繫著彈簧，將其固定於盒子中心位置。當盒子受到外力移動時，重錘會往外力的反向移動產生加速度，隨後又因彈簧而回到中心。如果可以量測到彈簧變形量或重錘的位置偏移量，就可以推算出加速度。

利用微機電製程技術，可以在晶片上作出類似功能。根據不同設計，可以透過壓阻、壓電或是電容變化，量測出結構（彈簧）變形或質量塊（重錘）的偏移，求得3個軸向的加速度。

三軸加速度感測器會不斷記錄這3個方向上的加速度變化，經過濾波，然後交給演算法分析。人類在行走時會有一個特殊的起伏節奏，跨步時往前與往上的加速度也不相同，演算法會根據這些規律與穩定度來判斷是不是正在走路。若訊號太雜亂，像是移動手機或搭乘交通工具，系統便會自動忽略。早期的晶片與演算法設計較不周詳，誤判率較高。目前的產品修改得愈來愈好，還會搭配陀螺儀與全球定位系統，逐漸降低誤判率。

隨著技術演進，有些應用程式還能結合模型，分辨你是在走路、跑步，還是乘車等，分析運動情形與熱量消耗。有些還能分析行動的變化，協助醫護監測獨居長者的居家安全，或偵測帕金森氏症患者的異常步伐。如今的計步器不再只是單純的步數紀錄，而是一種理解身體節奏的健康夥伴。