Салют, Хабр! 

Умное кольцо Sber уже в продаже, а мы продолжаем рассказывать, как создавали устройство. 

По плану кольцо постоянно на пальце у пользователя. Оно мониторит его показатели ежесекундно и круглосуточно, семь дней в неделю. Поэтому его требовалось сделать эстетичным, лёгким, удобным и максимально точным. 

В предыдущей статье рассказали о софте Умного кольца Sber. Эта — о промышленном дизайне устройства, разработке «железа» и производстве. Из какого материала сделано кольцо? Как работает датчик фотоплетизмографии, он же PPG-сенсор? И почему мы пролили немало пота (искусственного) при его создании?

Дизайн для повседневной жизни

Мы выбрали форм-фактор кольца, потому что стремились создать незаметное устройство на каждый день. В кольце нет экрана, который соблазнял бы постоянно проверять метрики. Оно не напоминает о себе вибрацией, требуя внимания. При этом устройство непрерывно отслеживает показатели вашего организма. Как только они заинтересуют пользователя — всё под рукой в мобильном приложении.

При разработке устройства команде промышленных дизайнеров пришлось работать в ограниченных условиях. Кольцо должно быть удобным — ведь пользователь будет заниматься в нём спортом, спать, принимать душ. Вместе с тем у производителей электронных комплектующих крайне мало вариантов компонентов для устройства этого типа и размера. 

Ещё больше выбор сужали техпроцессы производства.Требовалось найти баланс между толщиной оболочки и размещением комплектующих: создать максимально тонкое и удобное кольцо, где компоненты расположатся оптимальным образом и будут обеспечивать алгоритмам точные данные. Команда разработки исследовала разные формы шинки — то есть, в терминологии ювелиров, ободка кольца. Например, мы попробовали округлую в сечении шинку. Но чтобы вместить датчики, пришлось бы увеличить толщину устройства, а это мешает пальцам. В общей сложности мы меняли дизайн трижды. Кольцо стало плоским, со скруглённой кромкой.

Ещё одна задача, которую пришлось решать команде разработки — помочь пользователю правильно носить кольцо. Чтобы датчики собирали максимально полные и точные данные, устройство должно находиться на пальце в определённом положении. Тогда сенсоры будут прилегать к зоне, где больше всего близких к поверхности сосудов. Она расположена с внутренней стороны нижней фаланги — той, что ближе всего к ладони. В медицине её называют «проксимальной». 

Лучше всего носить кольцо на указательном, среднем или безымянном пальце руки, которая у вас не ведущая. Если кольцо сместится, часть датчиков может попасть в зону без явных вен и капилляров. Кстати, именно поэтому крайне важно выбрать правильный размер кольца. Оно не должно ни скользить по пальцу, ни передавливать его. Не забывайте, что ночью или рано утром пальцы чуть увеличиваются в размере.

В поиске идеального указателя, как надевать устройство, команда протестировала множество разных гипотез; пробовали и оптические метки, и тактильные, собирали мнения пользователей в UX-исследованиях. Оказалось, что эффективнее всего сочетать оба варианта. Поэтому мы выбрали контрастную метку с изменённой текстурой. Устройство носится меткой внутрь. С нею человек видит, как расположить украшение (устройство) на пальце, но может наощупь надеть его правильно и в полной темноте. Вместе с тем она не раздражает при ежедневном ношении устройства.

Занимательное материаловедение

Умное кольцо Sber — аксессуар, который всегда с пользователем, всегда на его пальце. Поэтому продуктовые требования к нему были особенно строгими. Подбирая материал для кольца, мы помнили, что оно должно быть: 

— лёгким (сейчас устройство весит менее 5 граммов);

— износостойким;

— водонепроницаемым;

— эстетичным;

— максимально эффективным с точки зрения показаний, которые оно отдаёт алгоритмам.

При этом нам требовался не один идеальный материал, а три: для корпуса, покрытия и внутренней поверхности, где расположены датчики. Пришлось решать сложные задачки: как сделать кольцо водонепроницаемым, но с возможностью быстрой зарядки? Какой материал для «изнанки» кольца будет одновременно гипоаллергенным, биоинертным и достаточно прозрачным для датчиков? Так, мы рассматривали возможность сделать керамический корпус, но керамика слишком хрупка и не выдерживает падений. Хотя мы продолжаем работать над тем, чтобы покорить этот материал.

В итоге корпус кольца сделан из титанового сплава с PVD-покрытием, внутри — специальный гипоаллергенный полимер. Тесты финального устройства подтвердили, что устройство вышло прочным и устойчивым к внешнему воздействию. Кольцо успешно прошло более десятка тестов на износостойкость. Например:

1. Проверка адгезии покрытия, то есть надёжности сцепления покрытия с корпусом. В рамках этого теста образцы проходят 50 циклов трения амплитудой 3-5 см под нагрузкой 500 гр. Для трения используют специальный резиновый объект в салфетке, смоченной спиртом в концентрации ≥95%. Результат: ни видимых царапин, ни отслоения покрытия.

2. Устойчивость к поту и бытовым жидкостям. На два образца накладывали ткань, пропитанную искусственным потом очень низкой (pH 4,7) и очень высокой (pH 8,0) кислотности соответственно. Затем их 24 часа выдерживали в герметичном пакете. 

   Устройство выдержало проверку без повреждений и коррозии. Также кольца двое суток выдерживались в четырёх растворах: шампуня, средства для мытья посуды, жидкого мыла, геля для душа. Коррозия на кольце не появилась, вода не проникла внутрь. 

3. Дроп-тесты. Один из самых важных тестов; ведь кольцу в ходе эксплуатации придётся пережить множество падений. В рамках дроп-тестов образцы бросали на стальную/цементную плиту с высоты метра (этот показатель вывели с учётом потенциальных антропометрических параметров пользователя). Устройства успешно выдержали по два падения на каждую из шести граней.

Мы проверяли, как кольцо поведёт себя в экстремальных условиях, поместив его на двое суток в температуре +55°C и влажности 95%. Испытывали его сопротивление коррозии в камере с солевым туманом. Тестировали, отреагирует ли оно на косметику — нет, не отреагировало. Чтобы исследовать PVD-покрытие на устойчивость к повреждениям, пришлось придумать собственную методику, так как стандартной для этого теста нет. Поэтому мы полчаса галтовали кольцо в ёмкости с калёными саморезами. Уверенно сообщаем: покрытие износостойко —  его непросто поцарапать. А полимер надёжно защищает высокотехнологичную начинку.

Тот самый Hardware

В ходе выбора и настройки датчиков ключевым вопросом была эффективность их работы — они должны отдавать встроенным алгоритмам максимально точные данные, которые позволят вычислить пульс, насыщенность крови кислородом, вариабельность сердечного ритма и другие метрики. Чем в итоге оборудовано Умное кольцо Sber:

PPG-сенсор, известный также как датчик фотоплетизмографии

Это три LED-светодиода зелёного, красного и инфракрасного диапазонов и два фотодиода, принимающих отражённое излучение от светодиодов. В основе работы сенсора — измерение и изменений объёма крови в мелких сосудах (капиллярах) в зависимости от фазы сердечного цикла. При каждом ударе сердца сосуды наполняются кровью; это влияет на количество поглощённого и отражённого света. Зелёный свет позволяет измерять пульс — гемоглобин в крови хорошо поглощает свет зелёного спектра. Красный — отслеживать насыщение крови кислородом. Дело в том, что оксигемоглобин — гемоглобин + кислород — и восстановленный гемоглобин без кислорода по-разному поглощают свет красного диапазона. Количество красного света, который поглотили ткани, зависит от того, сколько гемоглобина насыщено кислородом, а сколько — нет. Инфракрасное излучение помогает фоново или ночью измерять пульс и другие параметры. Оно менее заметно для пользователя, при этом даёт дополнительную информацию о состоянии сосудов и крови.

Трёхосевой акселерометр

Он подсчитывает шаги и отслеживает активность владельца, а также обеспечивает данными алгоритм, который по ночам определяет фазы сна. Плюс термодатчик.

Микроконтроллер (SoC) с Bluetooth 5 для сбора и обработки данных, а также для связи со смартфоном и приложением на смартфоне.

Аккумулятор и катушка индуктивной зарядки

Ключевой компонент устройства — конечно, фотоплетизмографические датчики. Нам требовалось идеальное соотношение точности данных, устойчивости к внешним помехам и стоимости. Кроме того, мы с учётом опыта мировых лидеров носимой электроники искали оптимальное размещение этих элементов относительно друг друга, которое сохранит эффективность устройства, даже если оно немного сместилось. 

Для выбора системной архитектуры команда разработки проверила несколько инженерных гипотез:

Базовая: один LED-светодиод и один фотодиод

Этот вариант требует меньше всего усилий и он же — самый недорогой. Он подходит для создания MVP (minimum viable product — минимально жизнеспособного продукта) и тестирования базовых функций… но не для финального продукта. В такой конфигурации датчики крайне чувствительны к смещению кольца на пальце и к любым помехам. Если сенсор чуть загрязнён или неплотно прилегает к коже, данные будут крайне неточными.

Мультисенсорная: несколько LED-светодиодов и фотодиодов

В этой схеме возможны два способа размещения сенсоров. В симметричном они зеркально дублируются, чтобы компенсировать помехи — например, два фотодиода располагаются по бокам от LED. В несимметричном датчики размещены так, чтобы решать специфическую задачу. Преимущество этой схемы — хорошая точность данных без большого количества датчиков.

Кольцевая: множество LED- и фотодиодов по внутренней окружности кольца

Вариация мультисенсорной схемы. В этом формате устройство максимально устойчиво к смещениям и загрязнениям, так как дублирующие датчики обеспечивают точность данных. Кроме того, можно имитировать разные схемы — например, протестировать разное количество излучателей, симметричную и несимметричную схемы. 

Кольцевая схема оптимальна для медицинских устройств и в целом для нишевых решений с жёсткими требованиями к точности… но не для потребительского крохотного устройства, которое человек будет носить на пальце каждый день. Она почти не оставляет места для остальных компонентов, включая аккумулятор и Bluetooth-модуль. Чтобы уместить их, пришлось бы увеличить кольцо (а это невозможно). К тому же себестоимость подобного устройства крайне высока по всем параметрам, от стоимости компонентов до калибровки. 

С опорой на результаты исследований мы остановились на симметричной мультисенсорной схеме с двумя фотодиодами. В одной сборке три LED-светодиода, относительно сборки симметрично расположены фотодиоды. У этой схемы множество преимуществ:

• Данные точнее. При двух симметрично расположенных фотодиодах можно получить лучше отношение сигнал/шум для данных.

• Показатели более стабильны. Если кольцо повернулось или один сенсор загрязнён, второй из них поддержит работоспособность устройства.

• Данные с датчиков в такой схеме позволяют решать множество задач — от отслеживания активности человека до базового мониторинга здоровья.

• Сборка энергоэффективнее. Она потребляет меньше энергии, чем кольцевые схемы, а значит, не нужно увеличивать ни аккумулятор, ни само устройство.

После выбора схемы нам дополнительно пришлось разработать несколько типоразмеров плат под разные размеры устройства — ведь оно поставляется в восьми размерах. Это решение естественно с учётом форм-фактора кольца, но, разумеется, дополнительно усложнило задачу.

Ещё одно продуктовое требование, которое команде разработки требовалось учитывать в инженерной подготовке — время работы кольца. По замыслу его нужно подзаряжать не чаще раза в 5-7 дней. При этом мы не хотели ни увеличивать его, чтобы установить более ёмкий аккумулятор — это неудобно, ни добавлять на девайс разъём для разрядки — это некрасиво. Плюс сделать водонепроницаемым устройство с разъёмом гораздо труднее.  

В итоге кольцо оборудовано литий-полимерными аккумуляторами. В каждом из восьми размеров кольца — аккумулятор со своей ёмкостью. Управление питанием настроено так, чтобы минимально влиять на качество измерения метрик.

Для устройства используется индуктивная зарядка. Мы разработали дизайн зарядной станции, с которым пользователь может легко установить кольцо на зарядку. Ошибиться невозможно — рельеф выступа на зарядке совпадает с внутренним рельефом устройства. Небольшая док-станция подключается к адаптеру через универсальный разъём Type-C. Она работает практически со всеми адаптерами с выходом USB, включая порты большинства ноутбуков и ПК. Поэтому его легко подзаряжать тогда, когда удобно вам.

Создавая продукты SberDevices, мы опираемся на фундаментальные методологии разработки устройств. Так, в архитектуру устройства ложится желаемый пользовательский опыт: мы формируем фичи на его основе, затем декомпозируем фичи в функциональные блоки, их переводим в технические метрики и уже с опорой на метрики  создаём системную архитектуру. 

Стратегию тестирования устройств на всех этапах мы разрабатываем до первого прототипа, так что критерии приёмки, метрики допустимых отклонений и провала известны заранее. Кроме того, для контроля качества после каждого этапа разработки проходит так называемый гейтинг — разработчики и заказчики продукта совместно решают, можно ли переходить к следующему этапу или необходимо вернуться на шаг назад. Этот подход позволяет последовательно контролировать качество проекта и не допускать дорогих ошибок на поздних этапах.

Юрий Кучугура, руководитель команды hardware-разработки устройств

Десять этапов производства

Напомним, что Умное кольцо Sber — это не только первое разработанное в России кольцо в этой категории, но и первый продукт в категории носимой электроники для SberDevices. Этапы их производства значительно отличаются от производства акустических устройств. Так, кольца проходят оценку функций и внешнего вида практически после каждого этапа производства. Вдобавок в производстве одновременно шестнадцать моделей: восемь размеров в двух цветах — серый хром и чёрный хром. Поэтому запуск производства был не самым простым.  

Как происходит создание колец:

• Фрезеровка корпуса из титановой заготовки. Затем на внешнюю поверхность наносят тактильную лазерную метку, после — PVD-покрытие. На внутреннюю поверхность добавляют метку позиционирования платы.

• Сборка печатной платы с электронными компонентами (PCBA) в технологии поверхностного монтажа (SMT). На этом этапе мы тестируем компоненты на плате.

• Установка PCBA в корпус кольца. Вновь тестируем компоненты. С помощью специального стенда контролируем позиционирование платы в корпусе относительно метки.

• Фиксация платы эпоксидным полимером. Это критический этап: после него устройство не получится разобрать и перепроизвести заново. Если оно не пройдёт любой из тестов, то отправится в брак, а это влияет на общий срок готовности партии. После фиксации платы формируется внутренний диаметр кольца.

• Проверка косметических дефектов изделия. В ход снова идёт специальный стенд: мы смотрим, правильно ли расположены корпус, плата и эпоксидный слой относительно друг друга. Когда кольцо успешно прошло проверку, можно испытывать его функционал.

• Прошивка кольца актуальным софтом. Тесты ключевого функционала — датчиков и Bluetooth-модуля.

• Тесты деградации аккумуляторов. Ещё до производства они в рамках контроля качества проходят циклическую зарядку-разрядку: через 10, 50, 200 циклов оценивается остаточный ресурс аккумулятора. В рамках финальной сборки аккумуляторы вновь проходят тестирование, от 6 до 24 часов разряжаясь в режиме реального времени. Так мы убеждаемся, что темп разрядки в пределах нормы.

• Финальная проверка внешнего вида устройства. Мы заряжаем кольцо и переводим в транспортный режим.

• Упаковка колец и размерных наборов для кольца.

• Контроль качества. Quality Control Team компании SberDevices проводит три инспекции. Во-первых, проверяет функционала колец и зарядных станций, а также внешнего вида. Во-вторых — качество сборки упаковки и корректность комплектации. В-третьих, перед отгрузкой кольцо помещают в защитные тубусы с чекой, а затем упаковывают в транспортные коробки и проверяют правильность информации. 

Чтобы увеличить скорость производства и снизить количество брака, мы очень внимательно подошли к анализу процесса SOP (Standard operating procedure). Для станций, где вероятность брака была выше всего, проработали точки улучшения и разработали несколько джиг. Это вспомогательный инструмент, который помогает операторам на линии правильно собирать устройство, проверять правильность сборки и упаковывать его. Для производства Умного кольца Sber потребовалось шесть джиг: три для самого устройства, три — для упаковки.

Коробка для впечатления

Несколько слов об упаковке, которую мы разработали для кольца. Она должна выполнять одновременно две задачи: защищать кольцо при перевозке в любых условиях и презентовать покупателю его новое устройство.  

Дизайн-упаковка сделана по принципу матрешки: во внешней коробке прячется внутренняя. Она круглая, как и само устройство. Чёрный цвет делает упаковку одновременно строгой и немного таинственной. 

Выбирая материал разделителя, команда разработки провела исследования для проверки инженерных и пользовательских гипотез. Попробовали разные материалы — стекло, зеркало, зеркальный пластик, несколько вариантов тёмного картона. В итоге остановились на последнем варианте, чтобы подчеркнуть продукт и не отвлекать внимание на саму упаковку. Коробка дополнительно снабжена защитной чекой по радиусу внешней коробки и стикером-пломбой на внутренней: это индивидуальное устройство, и оно только ваше.  

Дополнительно мы разработали вторую упаковку  — для размерного набора. Это восемь пластиковых колец, которые в точности повторяют реальные размеры настоящего продукта. Напомним, для точного сбора данных сенсорами правильный размер критичен, поэтому мы подстраховались. На крышке также расположен QR-код с инструкцией, как точно подобрать размер с учетом индивидуальных параметров.

Упаковка так же, как и устройства, прошла reliablity-тесты на стабильность и безопасность: дроп-тестирование, тест с имитацией длительной вибрации во время гипотетической перевозки, температурный тест — как коробка поведёт себя в разных условиях, от −30 ℃ до +50 ℃. Теперь мы уверены, что кольцо доберётся до пользователя невредимым. 

Дополнительно мы проводили UX-тестирования по распаковке, чтобы проверить ощущения пользователя. Нам хотелось, чтобы он при распаковке ощущал бы себя кладоискателем, первооткрывателем. Передать ему чувство, которое испытывали мы, когда создавали устройство. Недаром это первое в России кольцо с интеграцией медицинского сервиса на рынке. Признаемся честно: мы чувствуем себя пионерами-первопроходцами.

***

В подготовке статьи участвовали: Роман Гуркин, Саид Насрулаев, Алла Пазюк, Юрий Кучугура, Ангелина Старикова, Никита Рассадкин, Станислав Унмут