从 idea 、技术选型、打磨硬件再到生产制造的坑，该如何趟过？
作者｜TEKLA S.PERRY
原题｜ENGINEERING THE FIRST FITBIT: THE INSIDE STORY
来源｜https://spectrum.ieee.org/fitbit
整理｜靖宇
编者按：
从 rabbit r1、AI Pin 再到现在蜂拥而上的 AI 眼镜、项链和儿童玩偶，AI 大模型再次掀起了一股智能硬件的创业浪潮。每个人都在为一个「AI 时代的新 iPhone」的头衔，而努力向前。但是，硬件创业路何其艰难？我们或许可以回过头，看看在移动互联网兴起之时，Apple Watch 的鼻祖——Fitbit 是如何从零到一，打造出一个智能手环市场和品牌的？在 IEEE 这篇报道中，详细地复盘了 Fitbit 两位创始人，如何从 idea 脑力激荡、原型机打磨、技术和硬件选型，再到供应链生产制造的产品诞生的全过程。而他们的经验，相信依然能给现在的硬件创业者，带来很多启发和经验。
那 2006 年 12 月。29 岁的企业家詹姆斯·帕克刚刚购买了一套 Wii 游戏系统。游戏系统包括 Wii Nunchuk，这是一款售价 29 美元的手持控制器，带有运动传感器，可让游戏玩家通过移动身体进行互动，例如挥棒击打棒球，或者与虚拟伙伴拳击。
「我是个科技迷，」他说，「任何拿着那把双节棍的人都会着迷于它的工作原理。这是我第一次看到加速度计如此引人注目的消费者用途。」但过了一段时间，帕克发现了 Wii 的一个缺陷：它确实能让你动起来，但却把你困在了客厅里。他想，如果你能把 Wii 的酷炫之处用在一件能让你走出家门的小玩意上，那会怎样呢？「那是一个顿悟时刻，」帕克说。他的想法就是 Fitbit，一款活动追踪器，自 2009 年底第一代产品上市以来，销量已超过 1.36 亿台。但回到那个「顿悟时刻」。帕克迅速打电话给他的朋友兼同事埃里克·弗里德曼。2002 年，两人都是计算机科学家，他们创办了一家名为 HeyPix 的照片共享公司，2005 年他们将其出售给 CNET。2006 年他们仍在 CNET 工作，但当时正是考虑做点不同事情的好时机。
Fitbit 两位创始人詹姆斯·帕克（左）和埃里克·弗里德曼在 2009 年第一次发布产品时的合影｜图片来源：NYT「我母亲是个活跃的步行者，」弗里德曼说。「她有一个步行小组，总是随身带着一个计步器。我父亲从事老年人和残疾人增强工程（辅助技术）工作。我们以前玩过加速度计技术。所以它立刻就有意义了。我们只需要改进它。」两人离开了 CNET，并于 2007 年 4 月成立了这家初创公司，帕克担任首席执行官，弗里德曼担任首席技术官。帕克和弗里德曼并没有试图制造第一个计步器——机械计步器可以追溯到 20 世纪 60 年代。他们也不是第一个智能活动追踪器的发明者——医疗设备制造商 BodyMedia 早在 1999 年就将加速度计和其他传感器一起放在了用于测量卡路里燃烧的臂带中。
第一代 Fitbit 被人夹在裤袋旁边｜图片来源：NYT而且帕克和弗里德曼并不是第一个将智能消费者追踪器推向市场的。2006 年，耐克曾与苹果合作推出了针对跑步者的 Nike+，这是一款运动追踪系统，需要特殊的鞋子和一个插入 iPod 的接收器。当帕克想到要把健身从客厅中转移出来时，他并没有意识到这些，但两人很快就做了研究，弄清楚了他们想做什么和不想做什么。「我们不想创造一款昂贵的、针对运动员的产品，」他说，「或者一款愚蠢且与软件无关的产品。我们想要一款能够提供社交联系的产品，就像照片分享那样。」这种设备必须佩戴一整天都很舒适、易于使用、无缝上传数据以便追踪数据并与朋友分享，并且几乎不需要充电。这并非是一个简单的要求组合。第一个设计决定是最重要的。他们希望人们把这个可穿戴设备戴在身体的哪个部位？他们不会要求人们购买特殊的鞋子，比如 Nike+，或者在上臂戴一条厚厚的带子，比如 BodyMedia 的追踪器。他们聘请了 NewDealDesign 来解决其中的一些细节问题。NewDealDesign 总裁兼首席设计师 Gadi Amit 表示：「在最初两周内，经过与 Eric 和 James 的多次讨论，我们决定将该项目面向女性。这一决定是外形设计的驱动因素。」「我们想从人们熟悉的东西开始，」帕克说，「人们往往把计步器夹在腰带上。」因此，夹式设备很有意义。但女性通常不系腰带。阿米特回忆说，为了实现这一功能，这种夹式装置必须包含一块大约 2.5 x 2.5 厘米的印刷电路板。当团队决定将电子设备和电池分开时，他们取得了重大突破，而大多数设备都是将电子设备和电池堆叠在一起的。「通过这样做，并稍微拉长一点，我们发现女性可以把它放在任何地方，」阿米特说。「许多人会把它放在胸罩里，所以我们将设计目标定在胸罩前部，购买了几十件胸罩进行测试。」为女性设计的决定也影响了整体外观，正如 Amit 所说，「用户界面更加低调」。他们将低分辨率单色 OLED 显示屏隐藏在连续的塑料盖后面，显示屏仅在您要求时亮起。这一选择有助于使设备具有令人印象深刻的电池寿命。
最早的 Fitbit 用一朵小花作为图案让人想起电子宠物｜图片来源：NEWDEALDESIGN他们还想出了用花朵作为进度指示器的点子——帕克说，这一灵感来自 20 世纪 90 年代末最流行的玩具之一——电子宠物。「所以我们设计了一朵动画小花，它会根据你的活跃程度缩小或变大，」帕克解释道。在对控制进行多次讨论之后，该团队决定只给第一代 Fitbit 增加一个按钮。帕克和弗里德曼对电子学的了解足以让他们制作出一个粗糙的原型，「将电子器件塞进一个用切碎的香脂木制成的盒子里，」帕克说。但他们也知道，他们需要聘请一位真正的电气工程师来开发硬件。弗里德曼的父亲马克多年来一直致力于开发一种用于养老院的设备，用于远程监控卧床病人的位置。马克的合作伙伴是电子工程师兰迪·卡西奥拉，他目前是莫尔伍德设计实验室的总裁。埃里克打电话给他的父亲，告诉他他和帕克设想的小玩意，并询问他和卡西奥拉是否可以制作一个原型。「马克和我想先做一个快速原型，这样他们就可以从中获取传感器数据，并用它来开发软件。然后他们就去亚洲，在那里把它做成微型产品，」卡西奥拉回忆道。「但一次修改又引出了另一次修改。」卡西奥拉最终几乎全职从事 Fitbits 的电路设计工作，直到该公司被谷歌收购，该交易于 2019 年宣布，并于 2021 年初完成。「我们只是匹兹堡一间小办公室里的两个小人物，」卡西奥拉说。「在 Fitbit 出现之前，我们已经意识到我们的养老院产品不太可能成为产品，因此开始从事一些咨询工作。我没想到 Fitbit 会成为家喻户晓的品牌。我只是喜欢做任何事情，无论我认为这是个好主意还是坏主意，甚至不管是否有人付钱给我。」卡西奥拉说，最早的原型相当大，大约 10 x 15 厘米。它们足够大，可以轻松连接到测试设备上，同时又足够小，可以绑在自愿的测试对象身上。此后，Park 和 Eric Friedman 与 Casciola、两名合同软件工程师和一家机械设计公司一起，努力将笨重的原型改造成小巧时尚的设备，该设备可以计算步数、存储数据直至可以上传并无缝传输，具有简单的用户界面，并且不需要每天充电。「找到电池寿命、尺寸和容量之间的适当平衡点让我们忙碌了大约一年，」帕克说。在决定加入无线电发射器后，他们做出了重大举措：他们放弃了无线通信的蓝牙标准，转而采用 ANT 协议，这是 Garmin 开发的一项耗电量少得多的技术。这意味着 Fitbit 无法直接上传到电脑。相反，该团队设计了自己的基站，可以插入电脑，只要 Fitbit 佩戴者经过范围之内，它就会抓取数据。
2008 年 12 月，Fitbit 原型机首次开机｜图片来源：詹姆斯·帕克Casciola 并不具备射频工程方面的专业知识，因此他依赖 ANT 无线电芯片的供应商：位于挪威特隆赫姆的 Nordic Semiconductor。「他们会对电路板布局进行设计审查，」他解释道。「然后我们会把硬件送到挪威。他们会对它进行射频测量，并告诉我如何调整射频链中电容器和导体的值，然后我会更新原理图。要让这些射频设备正常工作，一半是工程技术，一半是黑魔法。」他们没有使用的另一个标准是无处不在的 USB 充电连接。「我们不能使用 USB，」Park 说。「它占用了太多空间。有人对我们说，『无论你做什么，都不要设计定制的充电系统，因为它会很麻烦，而且非常昂贵。』但我们还是继续开发了一个。这很麻烦，而且非常昂贵，但我认为这增加了一层魔力。你只需将设备放在 [充电器] 上即可。它看起来很漂亮，而且工作稳定。」他们使用的大多数电子设备都是现成的，包括德州仪器的 16 位 MSP430 微处理器、92 KB 的闪存和 4 KB 的 RAM，用于保存操作系统、其余代码、所有图形以及至少七天的收集数据。弗里德曼说，Fitbit 的设计可以防汗，因此它们通常可以经受住淋浴和快速浸泡。「但热水浴缸是我们生活中的祸根。人们把它夹在泳衣上，跳进热水浴缸时忘记戴了它。」到目前为止，该公司依靠帕克、弗里德曼和几位支持他们之前公司的人投资的 40 万美元维持运营。但需要更多资金来扩大生产。因此，下一步的关键是进行现场公开演示，他们计划于 2008 年 9 月在旧金山举行的 TechCrunch 会议上进行演示。新技术的现场演示总是有风险的，而这次演示则直接走到了灾难的边缘。计划是让观众喊出一个数字，然后 Park 会戴着装在轻木盒子里的原型走这个数字的步数。步数会无线同步到投影到舞台屏幕上的笔记本电脑上。当 Friedman 刷新浏览器时，步数就会出现在屏幕上。这有什么不对吗？弗里德曼解释道：「你认为数步数很容易，但假设你走了三步。一、二、三。当你双脚并拢时，这是一步还是结束？数 1,000 步比走 10 步容易得多。如果我走了 10 步，差了一步，那就是一个明显的错误。如果是 1,000 步，那个方差就变成了噪音。」经过大量练习后，两人认为他们可以成功。然后开始演示。「当我走路时，笔记本电脑崩溃了，」帕克说。「我当时没有意识到这一点。我只是开心地走着。埃里克不得不在我走路的时候重启一切。但数字出现了；我想除了埃里克，没人意识到发生了什么。」当天，约有 2,000 份预订单涌入。Fitbit 在次月完成了一轮 200 万美元的风险投资。尽管帕克和弗里德曼曾希望在 2008 年圣诞节之前将 Fitbit 送到用户手中（或夹在胸罩上），但他们却错过了一年的最后期限。Fitbit 从原型到可交付产品的挑战之一是软件开发。他们不能指望用户像 Park 在演示中那样精确地走路。相反，设备的算法需要确定什么是脚步，什么是不同类型的动作——比如有人挠鼻子。「数据收集很困难，」帕克说。「最初，我们很多人都戴着原型设备进行各种不同的活动。我们的研究主管 Shelten Yuen 会跟进，录像，这样我们就可以回过头来计算确切的步数。我们会同时佩戴多个设备，以相互比较收集的数据。」
2009 年第一次发售的 Fitbit 及外包装｜图片来源：NEWDEALDESIGN弗里德曼记得有一次这样的出游。「詹姆斯被拴在电脑前，假装带着他的狗在海特区（旧金山）散步，一边讲述他正在上演的这个小戏：『好吧，我要停下来了。狗要在这棵树上撒尿。现在它要去那边了。』旧金山的妙处在于，没有人会用奇怪的眼光看待两个被拴在一起的人四处走动，自言自语。」「推婴儿车是个问题」，因为佩戴者的手臂无法摆动，帕克说。「所以我们的一个人把一个外星人娃娃放在婴儿车里，推着它走遍了整个城市。」「Yuen 负责算法研究，他住在马萨诸塞州的剑桥，」Park 说。「他们那里的坑洼比我们多。当他乘坐公交车时，公交车会撞到坑洼，[设备] 会一路颠簸，记录步数。」他补充说，他们不能仅仅通过寻找规律的节奏来计算步数来解决这个问题，因为并不是每个人都有规律的节奏。「老年人往往节奏不规律——在设备看来，老年人看起来很像公交车经过坑洼。」消费电子产品意味着大规模生产，可能数量巨大。帕克回忆说，他们与许多合同制造公司进行了交谈。他们意识到，作为一家未来市场不明朗的初创公司，他们不会引起顶级制造商的兴趣。但他们不能选择最低预算的运营方式，因为他们需要合理的质量水平。「我们看到一些制造商非常可怕，」Park 说道。「设备脏乱，注塑塑料上有毛刺痕迹（密封不良或其他错误的迹象），精度非常低。」他们最终找到了一家「相当不错但仍渴望生意」的小型制造商。这家制造商总部位于新加坡，而他们的表面贴装供应商位于印度尼西亚巴淡岛，他们将元件直接安装在印刷电路板上。在与该制造商合作的过程中，Park 和 Friedman 对电路设计和外壳形状进行了一些调整。他们为如何防止水和汗水进入设备而苦苦挣扎，最终决定对外壳进行超声波焊接，并在一些设备因电子元件腐蚀而退回后为电路添加喷涂涂层。这需要调整布局以确保涂层能够进入芯片之间。必须手工检查和修补每个电路板上的涂层。当他们意识到涂层增加了芯片的高度时，他们不得不进一步调整布局。2009 年 12 月，就在发货日期前一周，Fitbits 开始下线。
Fitbit 联合创始人詹姆斯·帕克（上，站在中间）在产品于 2009 年推出前不久帮助制造商调试设备｜图片来源：詹姆斯·帕克「我在新加坡的一间酒店房间里测试了首批完全集成的设备之一，」帕克说。「但它无法与我的电脑同步。然后我把设备放在基站旁边，它就开始同步了。好吧，这很好，但它可以同步的最大距离是多少？结果发现只有几英寸。在我们进行的其他所有测试中，它都很好。它可以在 15 或 20 英尺（5 或 6 米）外同步。」Park 最终发现，问题出在 Fitbit 表壳的两半通过超声波焊接在一起时。在之前的同步测试中，表壳没有密封。密封过程将两半推得更近，因此显示屏的电缆接触或几乎接触到印刷在电路板上的天线，这影响了无线电信号。Park 尝试将两半挤压在一起，结果重现了这个问题。「我想，如果我们能把电缆从天线上推开，那就没问题了，」帕克说。「我在酒店房间里能找到的唯一东西就是卫生纸。所以我把卫生纸卷得很紧，塞在电缆和天线之间。这似乎有效，尽管我并不是很有信心。」第二天，帕克来到工厂，与制造团队讨论了这个问题以及他的解决方案。他们改进了他的解决方案——用一小片泡沫代替卫生纸——这就是第一代 Fitbit 的出货方式。2009 年，该公司售出了大约 5,000 台售价 99 美元的第一代设备，2010 年的销量是这个数字的 10 倍多。推出的过程并不顺利。卡西奥拉回忆说，Fitbit 的物流中心向他发送了数量惊人的腐蚀设备，这些设备都是客户退回的。卡西奥拉的任务是拆开它们并诊断问题。「随着时间的推移，设备上的一个触点开始产生绿色腐蚀，」Casciola 说。「但其他两个触点没有。」原来问题出在 Casciola 的系统重置触发器设计上，该触发器允许用户无需重置按钮或可拆卸电池即可重置设备。「不可避免地，」Casciola 说，「固件会崩溃。当你无法取出电池时，你必须有另一种强制重置的方法；你不想让某人等上六天，直到电池耗尽后才重新启动。」Casciola 设计的重置装置是「充电站上的一个按钮，你可以用回形针戳一下。如果你在跟踪器放在充电器上时这样做，它就会重置。当然，我们必须有办法让跟踪器看到这个信号。当我设计电路以允许这样做时，我最终在一个引脚上得到了标称电压。」这个低电压导致了腐蚀。「如果你把追踪器夹在汗湿的衣服上——记住，汗液中含有大量的盐分——就会有非常微弱的电流流过，」卡西奥拉说。「电流只有几微安，不足以导致重置，但随着时间的推移，足以导致绿色腐蚀。」
部分组装完毕的第一代 Fitbit｜图片来源：詹姆斯·帕克在 2012 年推出的 Fitbit 上，即 Fitbit One，Casciola 增加了一种新型芯片，这种芯片在他设计最初的产品时还没有出现。当设备放在充电器上时，如果按住单个按钮几秒钟，它就会触发重置。这样就不再需要活动引脚了。在最初的设计中，Fitbit 的塑料外壳的饰边涂上了铬。「我们原本想要一个真正的金属饰边，」弗里德曼说，「但这会干扰无线电信号。」铬也不是个好选择。「它给充电器接口带来了问题，」Park 补充道。「我们不得不做很多工作来防止那里发生短路。」在发货数万台之后，他们就放弃了镀铬，而这种新的无镀铬外观却得到了购买者的称赞。设备的发展变化非常快，尤其是在数据传输方式方面。2012 年，当蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy）作为一种新的低功耗通信标准广泛应用时，基站被小型蓝牙通信适配器所取代。最终，适配器完全消失了。「我们曾就是否继续运送该适配器展开过激烈的争论，」帕克说。「它的成本很高，如果你有一部新 iPhone，你就不需要它了。但我们不希望有人买了这个设备，然后因为手机无法连接而退货。」该团队密切跟踪了蓝牙低功耗在手机中的普及率；当他们觉得这个数字足够高时，他们就取消了适配器。Fitbit 最初的设计经过多次迭代，有时因其形状而被称为「夹子」，这款健身追踪器后来被移植到手腕上。这不仅仅是重新设计设备与身体的连接方式，而是对算法的重新思考。推动这一计划的动力来自一些用户希望更好地跟踪他们的睡眠。Fitbit 的算法使其能够识别睡眠模式，Park 说，这一设计选择「至关重要，因为它将设备从单纯的活动跟踪器转变为全天候的健康跟踪器。」但睡衣没有明显的附着点。因此，Fitbit 附带一条薄织物腕带，仅供夜间使用。用户开始询问客户支持，他们是否可以全天佩戴腕带。答案是否定的；当时 Fitbit 的步数计算算法不支持这一点。2000 年代中期，黄色的 Livestrong 手环突然随处可见，这种手环由硅胶制成，用于支持癌症研究。其他事业和运动也纷纷加入这一潮流，推出了色彩鲜艳的腕带。到 2013 年初，Fitbit 及其竞争对手 Nike 和 Jawbone 推出了腕戴式健身追踪器，风格与这些时尚手环大致相同。Fitbit 的版本名为 Flex，同样由 NewDealDesign 设计。
早期版本的 Fitbit Flex 手环交互非常简单（图中为 Flex 2）｜图片来源：hithackingFlex 的界面比原版 Fitbit 的单按钮和 OLED 屏幕还要简单：它没有按钮，也没有屏幕，只有排成一排的五个 LED 和一个振动马达。要更改模式，只需点击表面即可。「我们不想取代人们的手表，」帕克说。当时的技术还不足以「打造一款引人注目的设备——一款拥有大屏幕和计算能力的设备，能够在手腕上实现真正令人惊叹的互动，与屏幕相称。直到 2014 年或 2015 年，技术趋势才汇聚在一起，让这一切成为可能。」「团队仅用 LED 就能传达的信息量令人惊叹，」弗里德曼回忆道。「你距离实现 [步数] 目标还有多远，这是显而易见的。但 [还有] 灯光循环显示它正在搜索某物，当你达到步数目标时会振动，诸如此类。」不过，Park 承认，界面的点击部分「可能我们做得不太好」。发布后，我们花了很多时间对算法进行微调，以便更好地分辨出哪些动作不是 点击动作——比如鼓掌。更重要的是，一些用户无法直观地知道正确的点击方式。Park 表示：「如果 98% 的用户都能使用这个功能，但用户数量增长到数百万，那么 2% 就真的很重要了。」他们在下一代 Fitbit 设备上重新使用了该按钮。
2021 年谷歌以 21 亿美元的价格收购 Fitbit｜图片来源：Google2010 年是 Fitbit 上市的第一年，售出了约 5 万台。根据 Statista 的数据，Fitbit 的销量在 2015 年达到顶峰，当年售出了近 2300 万台。 从那时起，随着多功能智能手表价格下降、人气上升以及 Fitbit 仿制品进入市场，Fitbit 的销量有所下降。根据 Market.us.Media 的数据，到 2021 年，Fitbit 仍拥有超过 3100 万活跃用户。随着人们发现自己想要摆脱干扰，重新使用更简单的设备，Fitbit 现在可能正乘着回归简约的潮流。笔者看到这种情况发生在我自己的家庭中：女儿戴着智能手表，今年早些时候，她将那款可穿戴设备换成了 Fitbit Charge 6。Fitbit 于 2015 年上市，估值为 41 亿美元。2021 年，谷歌以 21 亿美元收购了该公司，并将其并入其硬件部门。今年 4 月，帕克和弗里德曼离开了谷歌。提前退休？不太可能。两人现年 47 岁，创办了一家新公司，目前处于隐身模式。通过电子记录步数来鼓励人们积极运动的想法一直具有持久力。「我父亲 7 月 5 日就满 80 岁了，他非常关注自己的步数，」弗里德曼说。「从晚上 11 点到午夜，他都在停车场爬楼梯。他现在的身体状况比我记忆中的任何时候都要好。」马斯克：发射火箭的监管很离谱，他们要我保证不会砸到动物。
