今天小編分享的科技經驗：AI 硬體創業者應該看看，世界第一款智能手環的誕生故事，歡迎閱讀。
作者｜TEKLA S.PERRY
原題｜ENGINEERING THE FIRST FITBIT: THE INSIDE STORY
來源｜https://spectrum.ieee.org/fitbit
整理｜靖宇
編者按：
從 rabbit r1、AI Pin 再到現在蜂擁而上的 AI 眼鏡、項鏈和兒童玩偶，AI 大模型再次掀起了一股智能硬體的創業浪潮。每個人都在為一個「AI 時代的新 iPhone」的頭銜，而努力向前。
但是，硬體創業路何其艱難？
我們或許可以回過頭，看看在移動互聯網興起之時，Apple Watch 的鼻祖—— Fitbit 是如何從零到一，打造出一個智能手環市場和品牌的？
在 IEEE 這篇報道中，詳細地復盤了 Fitbit 兩位創始人，如何從 idea 腦力激蕩、原型機打磨、技術和硬體選型，再到供應鏈生產制造的產品誕生的全過程。
而他們的經驗，相信依然能給現在的硬體創業者，帶來很多啟發和經驗。
那 2006 年 12 月。29 歲的企業家詹姆斯 · 帕克剛剛購買了一套 Wii 遊戲系統。遊戲系統包括 Wii Nunchuk，這是一款售價 29 美元的手持控制器，帶有運動傳感器，可讓遊戲玩家通過移動身體進行互動，例如揮棒擊打棒球，或者與虛拟夥伴拳擊。
帕克開始痴迷于他的 Wii。
「我是個科技迷，」他說，「任何拿着那把雙節棍的人都會着迷于它的工作原理。這是我第一次看到加速度計如此引人注目的消費者用途。」
但過了一段時間，帕克發現了 Wii 的一個缺陷：它确實能讓你動起來，但卻把你困在了客廳裡。他想，如果你能把 Wii 的酷炫之處用在一件能讓你走出家門的小玩意上，那會怎樣呢？
「那是一個頓悟時刻，」帕克說。他的想法就是 Fitbit，一款活動追蹤器，自 2009 年底第一代產品上市以來，銷量已超過 1.36 億台。
但回到那個「頓悟時刻」。帕克迅速打電話給他的朋友兼同事埃裡克 · 弗裡德曼。2002 年，兩人都是計算機科學家，他們創辦了一家名為 HeyPix 的照片共享公司，2005 年他們将其出售給 CNET。2006 年他們仍在 CNET 工作，但當時正是考慮做點不同事情的好時機。
弗裡德曼很欣賞帕克的想法。
Fitbit 兩位創始人詹姆斯 · 帕克（左）和埃裡克 · 弗裡德曼在 2009 年第一次發布產品時的合影｜圖片來源：NYT
「我母親是個活躍的步行者，」弗裡德曼說。「她有一個步行小組，總是随身帶着一個計步器。我父親從事老年人和殘疾人增強工程（輔助技術）工作。我們以前玩過加速度計技術。所以它立刻就有意義了。我們只需要改進它。」
兩人離開了 CNET，并于 2007 年 4 月成立了這家初創公司，帕克擔任首席執行官，弗裡德曼擔任首席技術官。帕克和弗裡德曼并沒有試圖制造第一個計步器——機械計步器可以追溯到 20 世紀 60 年代。
他們也不是第一個智能活動追蹤器的發明者——醫療設備制造商 BodyMedia 早在 1999 年就将加速度計和其他傳感器一起放在了用于測量卡路裡燃燒的臂帶中。
第一代 Fitbit 被人夾在褲袋旁邊｜圖片來源：NYT
而且帕克和弗裡德曼并不是第一個将智能消費者追蹤器推向市場的。2006 年，耐克曾與蘋果合作推出了針對跑步者的 Nike+，這是一款運動追蹤系統，需要特殊的鞋子和一個插入 iPod 的接收器。
當帕克想到要把健身從客廳中轉移出來時，他并沒有意識到這些，但兩人很快就做了研究，弄清楚了他們想做什麼和不想做什麼。
「我們不想創造一款昂貴的、針對運動員的產品，」他說，「或者一款愚蠢且與軟體無關的產品。我們想要一款能夠提供社交聯系的產品，就像照片分享那樣。」
這種設備必須佩戴一整天都很舒适、易于使用、無縫上傳數據以便追蹤數據并與朋友分享，并且幾乎不需要充電。這并非是一個簡單的要求組合。
帕克說：「事情越簡單，設計得越好就越困難。」
電子寵物和 Bra
第一個設計決定是最重要的。他們希望人們把這個可穿戴設備戴在身體的哪個部位？他們不會要求人們購買特殊的鞋子，比如 Nike+，或者在上臂戴一條厚厚的帶子，比如 BodyMedia 的追蹤器。
他們聘請了 NewDealDesign 來解決其中的一些細節問題。
NewDealDesign 總裁兼首席設計師 Gadi Amit 表示：「在最初兩周内，經過與 Eric 和 James 的多次讨論，我們決定将該項目面向女性。這一決定是外形設計的驅動因素。」
「我們想從人們熟悉的東西開始，」帕克說，「人們往往把計步器夾在腰帶上。」因此，夾式設備很有意義。但女性通常不系腰帶。
阿米特回憶說，為了實現這一功能，這種夾式裝置必須包含一塊大約 2.5 x 2.5 厘米的印刷電路板。當團隊決定将電子設備和電池分開時，他們取得了重大突破，而大多數設備都是将電子設備和電池堆疊在一起的。
「通過這樣做，并稍微拉長一點，我們發現女性可以把它放在任何地方，」阿米特說。「許多人會把它放在胸罩裡，所以我們将設計目标定在胸罩前部，購買了幾十件胸罩進行測試。」
為女性設計的決定也影響了整體外觀，正如 Amit 所說，「用戶界面更加低調」。他們将低分辨率單色 OLED 顯示屏隐藏在連續的塑料蓋後面，顯示屏僅在您要求時亮起。這一選擇有助于使設備具有令人印象深刻的電池壽命。
最早的 Fitbit 用一朵小花作為圖案讓人想起電子寵物｜圖片來源：NEWDEALDESIGN
他們還想出了用花朵作為進度指示器的點子——帕克說，這一靈感來自 20 世紀 90 年代末最流行的玩具之一——電子寵物。「所以我們設計了一朵動畫小花，它會根據你的活躍程度縮小或變大，」帕克解釋道。
在對控制進行多次讨論之後，該團隊決定只給第一代 Fitbit 增加一個按鈕。
一半是工程技術，一半是黑魔法
帕克和弗裡德曼對電子學的了解足以讓他們制作出一個粗糙的原型，「将電子器件塞進一個用切碎的香脂木制成的盒子裡，」帕克說。但他們也知道，他們需要聘請一位真正的電氣工程師來開發硬體。
幸運的是，他們知道該給誰打電話。
弗裡德曼的父親馬克多年來一直致力于開發一種用于養老院的設備，用于遠程監控卧床病人的位置。馬克的合作夥伴是電子工程師蘭迪 · 卡西奧拉，他目前是莫爾伍德設計實驗室的總裁。
埃裡克打電話給他的父親，告訴他他和帕克設想的小玩意，并詢問他和卡西奧拉是否可以制作一個原型。
「馬克和我想先做一個快速原型，這樣他們就可以從中獲取傳感器數據，并用它來開發軟體。然後他們就去亞洲，在那裡把它做成微型產品，」卡西奧拉回憶道。「但一次修改又引出了另一次修改。」卡西奧拉最終幾乎全職從事 Fitbits 的電路設計工作，直到該公司被谷歌收購，該交易于 2019 年宣布，并于 2021 年初完成。
「我們只是匹茲堡一間小辦公室裡的兩個小人物，」卡西奧拉說。「在 Fitbit 出現之前，我們已經意識到我們的養老院產品不太可能成為產品，因此開始從事一些咨詢工作。我沒想到 Fitbit 會成為家喻戶曉的品牌。我只是喜歡做任何事情，無論我認為這是個好主意還是壞主意，甚至不管是否有人付錢給我。」
卡西奧拉說，最早的原型相當大，大約 10 x 15 厘米。它們足夠大，可以輕松連接到測試設備上，同時又足夠小，可以綁在自願的測試對象身上。
此後，Park 和 Eric Friedman 與 Casciola、兩名合同軟體工程師和一家機械設計公司一起，努力将笨重的原型改造成小巧時尚的設備，該設備可以計算步數、存儲數據直至可以上傳并無縫傳輸，具有簡單的用戶界面，并且不需要每天充電。
「找到電池壽命、尺寸和容量之間的适當平衡點讓我們忙碌了大約一年，」帕克說。
在決定加入無線電發射器後，他們做出了重大舉措：他們放棄了無線通信的藍牙标準，轉而采用 ANT 協定，這是 Garmin 開發的一項耗電量少得多的技術。這意味着 Fitbit 無法直接上傳到電腦。相反，該團隊設計了自己的基站，可以插入電腦，只要 Fitbit 佩戴者經過範圍之内，它就會抓取數據。
2008 年 12 月，Fitbit 原型機首次開機｜圖片來源：詹姆斯 · 帕克
Casciola 并不具備射頻工程方面的專業知識，因此他依賴 ANT 無線電芯片的供應商： 位于挪威特隆赫姆的 Nordic Semiconductor。
「他們會對電路板布局進行設計審查，」他解釋道。「然後我們會把硬體送到挪威。他們會對它進行射頻測量，并告訴我如何調整射頻鏈中電容器和導體的值，然後我會更新原理圖。要讓這些射頻設備正常工作，一半是工程技術，一半是黑魔法。」
他們沒有使用的另一個标準是無處不在的 USB 充電連接。
「我們不能使用 USB，」Park 說。「它占用了太多空間。有人對我們說，『無論你做什麼，都不要設計定制的充電系統，因為它會很麻煩，而且非常昂貴。』但我們還是繼續開發了一個。這很麻煩，而且非常昂貴，但我認為這增加了一層魔力。你只需将設備放在 [ 充電器 ] 上即可。它看起來很漂亮，而且工作穩定。」
他們使用的大多數電子設備都是現成的，包括德州儀器的 16 位 MSP430 微處理器、92 KB 的閃存和 4 KB 的 RAM，用于保存作業系統、其餘代碼、所有圖形以及至少七天的收集數據。
弗裡德曼說，Fitbit 的設計可以防汗，因此它們通常可以經受住淋浴和快速浸泡。「但熱水浴缸是我們生活中的禍根。人們把它夾在泳衣上，跳進熱水浴缸時忘記戴了它。」
你以為數數很容易？
到目前為止，該公司依靠帕克、弗裡德曼和幾位支持他們之前公司的人投資的 40 萬美元維持運營。但需要更多資金來擴大生產。因此，下一步的關鍵是進行現場公開演示，他們計劃于 2008 年 9 月在舊金山舉行的 TechCrunch 會議上進行演示。
新技術的現場演示總是有風險的，而這次演示則直接走到了災難的邊緣。計劃是讓觀眾喊出一個數字，然後 Park 會戴着裝在輕木盒子裡的原型走這個數字的步數。步數會無線同步到投影到舞台螢幕上的筆記型電腦上。當 Friedman 刷新浏覽器時，步數就會出現在螢幕上。這有什麼不對嗎？
大錯特錯。
弗裡德曼解釋道：「你認為數步數很容易，但假設你走了三步。一、二、三。當你雙腳并攏時，這是一步還是結束？數 1,000 步比走 10 步容易得多。如果我走了 10 步，差了一步，那就是一個明顯的錯誤。如果是 1,000 步，那個方差就變成了噪音。」
經過大量練習後，兩人認為他們可以成功。然後開始演示。「當我走路時，筆記型電腦崩潰了，」帕克說。「我當時沒有意識到這一點。我只是開心地走着。埃裡克不得不在我走路的時候重啟一切。但數字出現了；我想除了埃裡克，沒人意識到發生了什麼。」
當天，約有 2,000 份預訂單湧入。Fitbit 在次月完成了一輪 200 萬美元的風險投資。
盡管帕克和弗裡德曼曾希望在 2008 年聖誕節之前将 Fitbit 送到用戶手中（或夾在胸罩上），但他們卻錯過了一年的最後期限。
Fitbit 從原型到可交付產品的挑戰之一是軟體開發。他們不能指望用戶像 Park 在演示中那樣精确地走路。相反，設備的算法需要确定什麼是腳步，什麼是不同類型的動作——比如有人撓鼻子。
「數據收集很困難，」帕克說。「最初，我們很多人都戴着原型設備進行各種不同的活動。我們的研究主管 Shelten Yuen 會跟進，錄像，這樣我們就可以回過頭來計算确切的步數。我們會同時佩戴多個設備，以相互比較收集的數據。」
2009 年第一次發售的 Fitbit 及外包裝｜圖片來源：NEWDEALDESIGN
弗裡德曼記得有一次這樣的出遊。「詹姆斯被拴在電腦前，假裝帶着他的狗在海特區（舊金山）散步，一邊講述他正在上演的這個小戲：『好吧，我要停下來了。狗要在這棵樹上撒尿。現在它要去那邊了。』舊金山的妙處在于，沒有人會用奇怪的眼光看待兩個被拴在一起的人四處走動，自言自語。」
「推嬰兒車是個問題」，因為佩戴者的手臂無法擺動，帕克說。「所以我們的一個人把一個外星人娃娃放在嬰兒車裡，推着它走遍了整個城市。」
道路噪音是另一個大問題。
「Yuen 負責算法研究，他住在馬薩諸塞州的劍橋，」Park 說。「他們那裡的坑窪比我們多。當他乘坐公交車時，公交車會撞到坑窪， [ 設備 ] 會一路颠簸，記錄步數。」他補充說，他們不能僅僅通過尋找規律的節奏來計算步數來解決這個問題，因為并不是每個人都有規律的節奏。
「老年人往往節奏不規律——在設備看來，老年人看起來很像公交車經過坑窪。」
硬體的詛咒
消費電子產品意味着大規模生產，可能數量巨大。帕克回憶說，他們與許多合同制造公司進行了交談。他們意識到，作為一家未來市場不明朗的初創公司，他們不會引起頂級制造商的興趣。但他們不能選擇最低預算的運營方式，因為他們需要合理的質量水平。
「我們看到一些制造商非常可怕，」Park 說道。「設備髒亂，注塑塑料上有毛刺痕迹（密封不良或其他錯誤的迹象），精度非常低。」他們最終找到了一家「相當不錯但仍渴望生意」的小型制造商。這家制造商總部位于新加坡，而他們的表面貼裝供應商位于印度尼西亞巴淡島，他們将元件直接安裝在印刷電路板上。
在與該制造商合作的過程中，Park 和 Friedman 對電路設計和外殼形狀進行了一些調整。他們為如何防止水和汗水進入設備而苦苦掙扎，最終決定對外殼進行超聲波焊接，并在一些設備因電子元件腐蝕而退回後為電路添加噴塗塗層。
這需要調整布局以确保塗層能夠進入芯片之間。必須手工檢查和修補每個電路板上的塗層。當他們意識到塗層增加了芯片的高度時，他們不得不進一步調整布局。
2009 年 12 月，就在發貨日期前一周，Fitbits 開始下線。
Fitbit 聯合創始人詹姆斯 · 帕克（上，站在中間）在產品于 2009 年推出前不久幫助制造商調試設備｜圖片來源：詹姆斯 · 帕克
「我在新加坡的一間酒店房間裡測試了首批完全集成的設備之一，」帕克說。「但它無法與我的電腦同步。然後我把設備放在基站旁邊，它就開始同步了。好吧，這很好，但它可以同步的最大距離是多少？結果發現只有幾英寸。在我們進行的其他所有測試中，它都很好。它可以在 15 或 20 英尺（5 或 6 米）外同步。」
Park 最終發現，問題出在 Fitbit 表殼的兩半通過超聲波焊接在一起時。在之前的同步測試中，表殼沒有密封。密封過程将兩半推得更近，因此顯示屏的電纜接觸或幾乎接觸到印刷在電路板上的天線，這影響了無線電信号。Park 嘗試将兩半擠壓在一起，結果重現了這個問題。
「我想，如果我們能把電纜從天線上推開，那就沒問題了，」帕克說。「我在酒店房間裡能找到的唯一東西就是衛生紙。所以我把衛生紙卷得很緊，塞在電纜和天線之間。這似乎有效，盡管我并不是很有信心。」
第二天，帕克來到工廠，與制造團隊讨論了這個問題以及他的解決方案。他們改進了他的解決方案——用一小片泡沫代替衛生紙——這就是第一代 Fitbit 的出貨方式。
2009 年，該公司售出了大約 5,000 台售價 99 美元的第一代設備，2010 年的銷量是這個數字的 10 倍多。推出的過程并不順利。卡西奧拉回憶說，Fitbit 的物流中心向他發送了數量驚人的腐蝕設備，這些設備都是客戶退回的。卡西奧拉的任務是拆開它們并診斷問題。
「随着時間的推移，設備上的一個觸點開始產生綠色腐蝕，」Casciola 說。「但其他兩個觸點沒有。」原來問題出在 Casciola 的系統重置觸發器設計上，該觸發器允許用戶無需重置按鈕或可拆卸電池即可重置設備。「不可避免地，」Casciola 說，「固件會崩潰。當你無法取出電池時，你必須有另一種強制重置的方法；你不想讓某人等上六天，直到電池耗盡後才重新啟動。」
Casciola 設計的重置裝置是「充電站上的一個按鈕，你可以用回形針戳一下。如果你在跟蹤器放在充電器上時這樣做，它就會重置。當然，我們必須有辦法讓跟蹤器看到這個信号。當我設計電路以允許這樣做時，我最終在一個引腳上得到了标稱電壓。」這個低電壓導致了腐蝕。
「如果你把追蹤器夾在汗溼的衣服上——記住，汗液中含有大量的鹽分——就會有非常微弱的電流流過，」卡西奧拉說。「電流只有幾微安，不足以導致重置，但随着時間的推移，足以導致綠色腐蝕。」
部分組裝完畢的第一代 Fitbit｜圖片來源：詹姆斯 · 帕克
在 2012 年推出的 Fitbit 上，即 Fitbit One，Casciola 增加了一種新型芯片，這種芯片在他設計最初的產品時還沒有出現。當設備放在充電器上時，如果按住單個按鈕幾秒鍾，它就會觸發重置。這樣就不再需要活動引腳了。
充電接口是另一個早期問題的根源。
在最初的設計中，Fitbit 的塑料外殼的飾邊塗上了鉻。「我們原本想要一個真正的金屬飾邊，」弗裡德曼說，「但這會幹擾無線電信号。」
鉻也不是個好選擇。「它給充電器接口帶來了問題，」Park 補充道。「我們不得不做很多工作來防止那裡發生短路。」
在發貨數萬台之後，他們就放棄了鍍鉻，而這種新的無鍍鉻外觀卻得到了購買者的稱贊。
設備的發展變化非常快，尤其是在數據傳輸方式方面。2012 年，當藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy）作為一種新的低功耗通信标準廣泛應用時，基站被小型藍牙通信适配器所取代。最終，适配器完全消失了。
「我們曾就是否繼續運送該适配器展開過激烈的争論，」帕克說。「它的成本很高，如果你有一部新 iPhone，你就不需要它了。但我們不希望有人買了這個設備，然後因為手機無法連接而退貨。」該團隊密切跟蹤了藍牙低功耗在手機中的普及率；當他們覺得這個數字足夠高時，他們就取消了适配器。
終于，手環到來了
Fitbit 最初的設計經過多次迭代，有時因其形狀而被稱為「夾子」，這款健身追蹤器後來被移植到手腕上。這不僅僅是重新設計設備與身體的連接方式，而是對算法的重新思考。
推動這一計劃的動力來自一些用戶希望更好地跟蹤他們的睡眠。Fitbit 的算法使其能夠識别睡眠模式，Park 說，這一設計選擇「至關重要，因為它将設備從單純的活動跟蹤器轉變為全天候的健康跟蹤器。」但睡衣沒有明顯的附着點。
因此，Fitbit 附帶一條薄織物腕帶，僅供夜間使用。用戶開始詢問客戶支持，他們是否可以全天佩戴腕帶。答案是否定的；當時 Fitbit 的步數計算算法不支持這一點。
與此同時，一種文化現象正在興起。
2000 年代中期，黃色的 Livestrong 手環突然随處可見，這種手環由矽膠制成，用于支持癌症研究。其他事業和運動也紛紛加入這一潮流，推出了色彩鮮豔的腕帶。
到 2013 年初，Fitbit 及其競争對手 Nike 和 Jawbone 推出了腕戴式健身追蹤器，風格與這些時尚手環大致相同。
Fitbit 的版本名為 Flex，同樣由 NewDealDesign 設計。
早期版本的 Fitbit Flex 手環互動非常簡單（圖中為 Flex 2）｜圖片來源：hithacking
Flex 的界面比原版 Fitbit 的單按鈕和 OLED 螢幕還要簡單：它沒有按鈕，也沒有螢幕，只有排成一排的五個 LED 和一個振動馬達。要更改模式，只需點擊表面即可。
「我們不想取代人們的手表，」帕克說。當時的技術還不足以「打造一款引人注目的設備——一款擁有大螢幕和計算能力的設備，能夠在手腕上實現真正令人驚嘆的互動，與螢幕相稱。直到 2014 年或 2015 年，技術趨勢才匯聚在一起，讓這一切成為可能。」
「團隊僅用 LED 就能傳達的信息量令人驚嘆，」弗裡德曼回憶道。「你距離實現 [ 步數 ] 目标還有多遠，這是顯而易見的。但 [ 還有 ] 燈光循環顯示它正在搜索某物，當你達到步數目标時會振動，諸如此類。」
不過，Park 承認，界面的點擊部分「可能我們做得不太好」。發布後，我們花了很多時間對算法進行微調，以便更好地分辨出哪些動作不是 點擊動作——比如鼓掌。更重要的是，一些用戶無法直觀地知道正确的點擊方式。
Park 表示：「如果 98% 的用戶都能使用這個功能，但用戶數量增長到數百萬，那麼 2% 就真的很重要了。」他們在下一代 Fitbit 設備上重新使用了該按鈕。
2021 年谷歌以 21 億美元的價格收購 Fitbit｜圖片來源：Google
剩下的就是歷史了
2010 年是 Fitbit 上市的第一年，售出了約 5 萬台。根據 Statista 的數據，Fitbit 的銷量在 2015 年達到頂峰，當年售出了近 2300 萬台。
從那時起，随着多功能智能手表價格下降、人氣上升以及 Fitbit 仿制品進入市場，Fitbit 的銷量有所下降。根據 Market.us.Media 的數據，到 2021 年，Fitbit 仍擁有超過 3100 萬活躍用戶。
随着人們發現自己想要擺脫幹擾，重新使用更簡單的設備，Fitbit 現在可能正乘着回歸簡約的潮流。筆者看到這種情況發生在我自己的家庭中：女兒戴着智能手表，今年早些時候，她将那款可穿戴設備換成了 Fitbit Charge 6。
Fitbit 于 2015 年上市，估值為 41 億美元。
2021 年，谷歌以 21 億美元收購了該公司，并将其并入其硬體部門。今年 4 月，帕克和弗裡德曼離開了谷歌。提前退休？不太可能。兩人現年 47 歲，創辦了一家新公司，目前處于隐身模式。
通過電子記錄步數來鼓勵人們積極運動的想法一直具有持久力。
「我父親 7 月 5 日就滿 80 歲了，他非常關注自己的步數，」弗裡德曼說。「從晚上 11 點到午夜，他都在停車場爬樓梯。他現在的身體狀況比我記憶中的任何時候都要好。」
還有什麼比這更好的獎勵呢？
