從移動(dòng)到穿戴——探討可穿戴概念、技術(shù)與應(yīng)用

陳東義

(電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，成都　610054)

從移動(dòng)到穿戴——探討可穿戴概念、技術(shù)與應(yīng)用

陳東義

(電子科技大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，成都610054)

摘要：可穿戴計(jì)算是一種新穎的計(jì)算模式，已被視為下一代計(jì)算發(fā)展的主流。將嘗試與業(yè)界同仁共同探討可穿戴計(jì)算領(lǐng)域的一些熱點(diǎn)問題，如概念、技術(shù)、趨勢(shì)，涉及可穿戴屬性、模式，可穿戴電子，藍(lán)領(lǐng)計(jì)算等，以期拋磚引玉之功效，為可穿戴研究和產(chǎn)業(yè)化健康發(fā)展助力。

關(guān)鍵詞：可穿戴計(jì)算；增強(qiáng)智能；電子織物；藍(lán)領(lǐng)計(jì)算

From Mobile to Wearable:On Concept,Technology

可穿戴計(jì)算[1-8]是目前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，最早發(fā)源于美國麻省理工學(xué)院。可穿戴研究出現(xiàn)過2次熱潮。1996年7月，美國DARPA 舉辦了“wearable in 2005”；1996年，波音公司在美國西雅圖主辦了第二次可穿戴計(jì)算研討會(huì)；1997年10月，在美國馬薩諸塞州的坎布里奇，IEEE 計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)主辦了第一屆國際可穿戴計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議(ISWC)。這三次會(huì)議代表了第一波可穿戴計(jì)算研究熱潮，剛好與互聯(lián)網(wǎng)熱潮同期，以突出研究為特征。2012年，谷歌推出智能眼鏡，其引爆的可穿戴計(jì)算(或智能穿戴)熱點(diǎn)觸發(fā)了第二波全球可穿戴技術(shù)熱潮。2014年初，在美國舉行的國際消費(fèi)性電子展覽會(huì) (CES)則進(jìn)一步將可穿戴計(jì)算熱推向高潮，業(yè)界對(duì)于可穿戴技術(shù)的研究更加豐富，各式可穿戴產(chǎn)品層出不窮，井噴一樣地沖擊到IT產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。自此，可穿戴技術(shù)相關(guān)的研發(fā)、產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)、會(huì)展、論壇的熱浪不斷襲來。

1概念

由Google引發(fā)的第二次可穿戴計(jì)算技術(shù)研究熱潮源自企業(yè)和市場(chǎng)。和其他熱點(diǎn)研究領(lǐng)域不同，該研究熱潮并非由學(xué)科專家發(fā)起，而是由企業(yè)和市場(chǎng)發(fā)起。目前普遍存在對(duì)可穿戴計(jì)算認(rèn)識(shí)不到位的情況，對(duì)其定位和實(shí)際意義認(rèn)識(shí)不足，容易導(dǎo)致跟風(fēng)研究的情況?？纱┐饔?jì)算的發(fā)展同計(jì)算的發(fā)展息息相關(guān)，而從人類的發(fā)展可以看到計(jì)算的發(fā)展。

人類發(fā)展的一個(gè)最重要的標(biāo)志性事件是人的直立。人的直立是由于使用工具，這是對(duì)人類發(fā)展最大的促進(jìn)因素。當(dāng)今時(shí)代，手機(jī)正在突破傳統(tǒng)模式向更加智能化方向發(fā)展。由于手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，使人“趴”下去，而可穿戴計(jì)算使人再次“直立”。從使人第二次直立的工具的角度來認(rèn)識(shí)可穿戴計(jì)算，它就代表人類的第二次進(jìn)化。這是一個(gè)了不起的事情(圖1)。

圖1　可穿戴使人二次“直立”

為什么談到人的第二次進(jìn)化？這就要談到人們一直擔(dān)憂的一個(gè)問題：機(jī)器人會(huì)不會(huì)戰(zhàn)勝生物人，人工智能可能會(huì)超過人的智能嗎？如何認(rèn)識(shí)人類的第二次發(fā)展和可穿戴的地位？

可穿戴計(jì)算定義：可穿戴計(jì)算是“以人為本，人機(jī)合一” 這一理念的必然產(chǎn)物，在這種計(jì)算模式下衍生出一類可穿戴、個(gè)性化、多樣性、新形態(tài)的個(gè)人移動(dòng)計(jì)算終端(智能眼鏡、目鏡、手鐲、手表、腰包、腰帶、鞋和服裝 )?？纱┐饔?jì)算(wearable computing)模式強(qiáng)調(diào)以自然的穿戴形式提供計(jì)算功能，弱化機(jī)器的概念。它首先體現(xiàn)了以人為本，即“圍著人轉(zhuǎn)”的思想；其次是人與機(jī)器融為一體，人機(jī)合一。它同時(shí)體現(xiàn)了為人服務(wù)，以人為中心的研究思路，代表了未來研究的方向。

著名的Steve Mann認(rèn)為，可穿戴計(jì)算應(yīng)具有3種使用模式和6個(gè)屬性定義：

1) 使用模式：持續(xù)輔助(constant assistant)；增強(qiáng)(augmenttation)；介入(mediation)。

2) 屬性：非獨(dú)占性(unmonopolizing)；無束縛性(unrestrictive)；可觀性(observable)；可控性(controllable)；主動(dòng)關(guān)注(attentive proactively)；表達(dá)交流能力(communicative)。

從生物人和機(jī)器人角度來劃分，可穿戴促成的是混合人(即人-機(jī)人)。可穿戴計(jì)算帶來了人-機(jī)關(guān)系的變革，促成了人-機(jī)緊密結(jié)合(inextricably intertwined)與協(xié)同(synergy)的新型關(guān)系，這是一種“人-機(jī)共生(symbiosis)”的形式，最終將向“電子人”(cyborg，一種人機(jī)混合體)演進(jìn)。可穿戴計(jì)算促成的“人機(jī)協(xié)同”與“增強(qiáng)”計(jì)算模式可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶自然、持續(xù)的感知與增強(qiáng)。

目前人工智能領(lǐng)域的研究尚未跳出一個(gè)框架，即模仿人類大腦工作。實(shí)際上，另一類智能不一定要模仿大腦，因?yàn)槿说闹悄苁怯邢薜?，人的感知是有限的，人的體能也是有限的。如果從計(jì)算的角度來發(fā)展一種智能，那么仿人只是其中一條途徑(即artificial intelligence)?？纱┐饔?jì)算技術(shù)對(duì)此的解決思路是從“模仿人類”(simulation)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸鰪?qiáng)人類”(augmentation)。這種“增強(qiáng)智能”(augmented intelligence)是人類智能和機(jī)器智能的混合物，比如大家熟悉的鋼鐵俠。鋼鐵俠把人“包裹”住，使人具有機(jī)器的智能、體能和感能。Augmentation從提升人的智能、體能和感能3種能力來研究可穿戴計(jì)算，是未來顛覆性的革新技術(shù)。

2研究趨勢(shì)

隨著芯片和傳感器的超微型化、輕量化、廉價(jià)化，可穿戴計(jì)算的普及逐漸成為可能。移動(dòng)計(jì)算正在從口袋和手持轉(zhuǎn)向手腕、手指、頭部、腰部和腳部的穿戴，見圖2。可穿戴產(chǎn)品在眼部、頭部、手部、腳步、腰部的示例見圖3。

圖2　可穿戴在人體的分布

圖3　可穿戴產(chǎn)品示例

可穿戴計(jì)算不能稱為設(shè)備，這是倡導(dǎo)的一種觀點(diǎn)。之所以說可穿戴計(jì)算不該籠統(tǒng)稱為設(shè)備，理由大致如下：

1) 形態(tài)上不是設(shè)備?？纱┐鳟a(chǎn)品在形態(tài)上是普通的飾物、衣物、鞋帽，而設(shè)備通常形態(tài)較大，需要由人手動(dòng)操作。

2) 理念上不是設(shè)備?？纱┐髯非蟮氖窃O(shè)備和機(jī)器從我們的視線中消失，它編入了我們的鞋子、衣服、眼鏡、首飾，融入衣物和飾物之中，追求電子元件隱蔽性(unobtrusive)。在操作方面，它解放我們的雙手(hand-free)，追求自然交互，而不是操作設(shè)備。

3) 定義上不是設(shè)備。 設(shè)備(equipment) 的定義為“通常是一群中、大型的機(jī)具器材集合體，皆無法拿在手上操作而必須有固定的臺(tái)座，使用電源之類動(dòng)力運(yùn)作而非人力”。

4) 在英文術(shù)語中，可穿戴沒有“設(shè)備”一詞(smart device，smart gadget，smart jewelry，smart glass，smart shoe，smart accessories)。形態(tài)較大的可穿戴產(chǎn)品稱為 device(小型裝備)，但不稱為equipment(設(shè)備)。

3可穿戴計(jì)算技術(shù)的一些常見應(yīng)用

自20世紀(jì)90年代中后期，可穿戴計(jì)算逐漸走出實(shí)驗(yàn)室階段，被廣泛推廣應(yīng)用到加工制造、生產(chǎn)監(jiān)控、維護(hù)保障、物流后勤、作戰(zhàn)偵察、反恐安全、醫(yī)療助殘、消費(fèi)娛樂等領(lǐng)域中[9-16]。近年來，新的的研究成果不斷涌現(xiàn)，一些常見應(yīng)用概括起來主要集中于下面的典型應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1　電子織物

從移動(dòng)到穿戴，涉及的不止是眼鏡和手表。以可穿戴的衣物為例，今后它在形態(tài)上就是普通的衣物，例如一條裙子，一件襯衫。電子織物(e-textile)是織有或者植入電子功能組件、模塊互聯(lián)和電源等器件的智能布?jí)K,被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算的一種理想平臺(tái),也是物聯(lián)網(wǎng)的一種使能器件[17-23]。在織物的過程中，傳感器是織進(jìn)去的，其良好的電氣性能和織物所具有的柔性、透明、輕量級(jí)的特點(diǎn)，代表了今后電子織物的發(fā)展趨勢(shì)。電子織物帶來的技術(shù)顛覆在于電路形態(tài)的改變。原來的硬件印制電路板轉(zhuǎn)變?yōu)榻窈蟮碾娐肥强棾鰜砘蛘咴谝挛锷嫌〕鰜恚瑥脑瓉淼牧Ⅲw電路轉(zhuǎn)化為二維的平面電路。電子織物中新的電路形態(tài)、電路工藝和電路技術(shù)是今后研究的主要方向。

當(dāng)前主要有3種典型的可穿戴織物設(shè)計(jì)與制作方法：第1種是柔性絲網(wǎng)印刷法；第2種是編織和針織，即將導(dǎo)電、傳感和絕緣纖維或絲線通過編織直接形成傳感器，真正實(shí)現(xiàn)傳感器的嵌入；第3種是縫合，利用導(dǎo)電防線將電路板或傳感器縫合在衣物上。

3.2　藍(lán)領(lǐng)計(jì)算

由于行業(yè)的特殊性質(zhì)，某些制造業(yè)在特定環(huán)境下無法使用機(jī)器人，工作必須由工人手工操作完成。未來的幾十年內(nèi)，人類的介入仍然不可避免。在這種情況下，研究如何在工業(yè)中使用可穿戴計(jì)算具有重要意義。同樣，在戰(zhàn)場(chǎng)、考古、野外勘探、手術(shù)醫(yī)療等領(lǐng)域可穿戴也將會(huì)有廣泛的應(yīng)用，因此德國人提出了藍(lán)領(lǐng)計(jì)算的概念。

藍(lán)領(lǐng)計(jì)算(blue collar computing)是一種嶄新的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)任務(wù)信息支撐模式，它強(qiáng)調(diào)用戶在工作空間中關(guān)注于任務(wù)時(shí)(特別是Intense time critical work)和在日常生活空間內(nèi)(daily life space)進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，能得到信息空間(cyber space)的自然、有效和多人協(xié)作(group collaboration)的支持。典型的應(yīng)用包括數(shù)字化士兵系統(tǒng)、特殊場(chǎng)合下的維修與安裝作業(yè)、行為監(jiān)測(cè)與健康保護(hù)系統(tǒng)和診療輔助系統(tǒng)等[24-25]。

在藍(lán)領(lǐng)計(jì)算方面，知曉車間 (aware workshop)是一種新的工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息基礎(chǔ)環(huán)境模式。作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)類工程技術(shù)人員的作業(yè)輔助，在知曉車間中，設(shè)備被賦予靈性，能實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、設(shè)備感知、人體感知 ，進(jìn)而三者交互[25]。

圖4　知曉車間中的可穿戴作業(yè)輔助系統(tǒng)

4結(jié)束語

美國微軟公司在《人類的本質(zhì)：2020年的人機(jī)交互》報(bào)告中指出：“計(jì)算機(jī)和人類之間的生理界限將變得模糊……目前存在于人機(jī)界面之間牢固的界限正在消失，這種界面會(huì)離我們?cè)絹碓浇?，電子裝置將融入我們的衣服甚至身體”。隨著研究的深入，業(yè)界對(duì)可穿戴計(jì)算提出了各種挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，其廣泛和深入的應(yīng)用需要在理論和關(guān)鍵技術(shù)方面有新的突破。當(dāng)前，顛覆正在發(fā)生，智能可穿戴正在進(jìn)入主流，必將沖擊傳統(tǒng)計(jì)算模式和挑戰(zhàn)現(xiàn)有IT產(chǎn)業(yè)格局，促進(jìn)新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)方向的形成。

參考文獻(xiàn)：

[1]DVORAKJL．Moving wearables technology into the mainstream[EB/OL].[2012-06-01]．http://www.nlc.gov.cn/old2008/service/others/shukantuijie/wenjian/waiwenxinshu/200805NBIntro/T56/2·2008%20TP368.3%20D988.

html．

[2]MANN S.Wearable computing:toward humanistic intelligence[J].Intelligent systems,2001,16(3):10-15．

[3]MANN S D,CHEN S．HI-Cam：intelligent biofeedback signal processing[EB/OL]．[2012-06-01]．http://wenku.baidu.com/view/fec272d86flaff00bed51ed6.htm1．

[4]FEINER S B,MACINTYRE D．Knowledge-based augmented reality[J]．Communications of the ACM，1993，36(7):53-62．

[5]LAMMING M M．Forget-me-not:Intimate computing in support of human memory[EB/OL].[2012-06-01].http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary? doi=0.1.1.1.6966．

[6]SMAILAGIC A,SIEWIOREK D P,MARTIN R,et al.Very rapid prototyping of wear-able computers:A case study of VuMan 3 custom versus off-the-shelf design methodologies[J].Design Automation for Embedded Systems,1998,3(2):219-232．

[7]可穿戴計(jì)算研究簡(jiǎn)介[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010(S1):98-98.

[8]陳東義,BlairMcIntyre.可穿戴計(jì)算與系統(tǒng)仿真[J].Journal of System Simulation,2004,16(2):210-213.

[9]Timothy Clack.Ancestral Roots:Modern Living and Human Evolution[M].U.K:Palgrave Macmillan,2008.

[10]MARIA SCIULLO.Wave of wearable tech products[EB/OL].[2015-07-01].http://www.stuff.co.nz/technology/gadgets/8732246/Wave-of-wearable-tech-products.

[11]ringly[EB/OL].(2015-01-23).[2015-07-01].https://ringly.com/.

[12]fitbit[EB/OL].(2015-01-09).[2015-07-01].http://www.fitbit.com/cn/compare.

[13]lechal[EB/OL].(2015-06-10)[2015-07-01].http://www.lechal.com/shoes.html.

[14]SARWAL A,BAKER C,FILIPOVIC D.Head-worn display-based augmented reality system for manufacturing[C]//Proceedings of SPIE．Bellingham WA：SPIE，2005：115-122．

[15]YUKIHARU O,MITSUKO F,KIYOTAKA S.A system for the calculation and visualisation of radiation field for maintenance support in nuclear power plants[J].Radiation Prot-ection Dosimetry，2005，l16(1/4)：592-596

[16]LAWO M,HERZOG O.Wearable computing for medical applications:pemonal health system for Parkinson’s disease patients[EB/OL]．(2011-11-17).[2012-06-01].http://citeseerx.ist.psu.edu/showciting?cid=254527．

[17]BULLING A，ROGGEN G．Wearable EOG goggles：seamless sensing and context-awareness in everyday environments[J].Joumal of Ambient Intelligence and Smart Environ-ments,2009,1(2):157-171．

[18]NORISB,KELLER J B.A wearable gaze tracking system for children in unconstrained environments[J].Computer Vision and Image Understanding,2011,115(4):476-486．

[19]DEYLE T S,PALINKO E,POOLE S,et al．Hambone:a bio-acoustic gesture interface[EB/OL].(2012-06-08).[2012-07-01].http://www.computer.org/esdl/pro-ceedings/iswe/2007/1452/00/04373768-abs.htm1.

[20]Bonfiglio A,Rossi D D,Tunde K,et al.Organic field effect transistors for textile applications[J]．IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine,2005,9(3):319-324.

[21]唐湘楓,尹貽虎,賀志龍.身體傳感器網(wǎng)絡(luò)BSN關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].電子質(zhì)量,2011(1):6-8.

[22]Rossi D D.Electronic textiles:A logical step[J]．Nature Materials,2007,6(5):328-329.

[23]Lee H S,ChoI-Y.Drop-n-play:A new device interface for ipod jackets[C]//Proceedings Of the 2010 International Conference on Consumer Electronics.LasVegas,USA:[s.n.],2010:183-184.

[24]Curone D,Tognetti A,Secco E L,et al．Heart rate and accelerometer data fusion For activity assessment of rescuers during emergency interventions[J]．IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine,2010,14(3):702-710.

[25]Martin T,Jones M,Chong J,et al．Design and implementation of an electronic textile Jumpsuit[C]//Proceedings of the 13th International Symposium on Wearable Computers．Linz,Austra:[s.n.],2009:157-158.

[26]Gu J F,Gorgutsa S,Skorobogatiy M．Soft capacitor fibers for electronic extiles[J]．Applied Physics Letters,2010,97(13):133305-133305-4.

[27]Barbaro M,Caboni A,Cosseddu P,et al．Active devices based on organic semicon-ductors for wearable applications[J]．IEEE Transactions on Information Technology in Bio-medieine,2010,14(3):758-766.

[28]鄭能干,吳朝暉,林曼,等.電子織物研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2011,34(7):1172-1187.

[29]LAWO M,HERZOG O.Wearable computing for medical applications:personal health system for Parkinson’s disease patients [EB/OL]．(2011-11-17).[2012-06-01]．http://citeseerx．Ist.psu.edu/showciting?cid=254527.

[30]陳東義,夏侯士戟,黃志奇,等.面向工業(yè)應(yīng)用的可穿戴計(jì)算技術(shù)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,38(5):678-686.

(責(zé)任編輯楊黎麗)

收稿日期：2015-05-20

作者簡(jiǎn)介：陳東義(1956—)，男，山東人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事可穿戴計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、人機(jī)交互、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、感知計(jì)算等方面研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.08.001

中圖分類號(hào)：TP368

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1674-8425(2015)08-0001-05

and Application of Wearable

CHEN Dong-yi

(School of Automation Engineering,University of Electronic Science and

Technology of China, Chengdu 610054, China)

Abstract:wearable computing is a new calculation mode and has been regarded as the mainstream of the next generation of calculation development.Symposium will try to discuss some hot issues in the field of wearable computing,such as concept,technology,the trend of the crossover,which involves the wearable properties,patterns,wearable electronics,blue collar computing,etc.,with colleagues in the same research field in order to promote the study and healthy development of the industrialization of wearable field.

Key words:wearable computing; augmented Intelligence; e-textile; blue collar computing

引用格式：陳東義.從移動(dòng)到穿戴 ——探討可穿戴概念、技術(shù)與應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(8):1-5.

Citation format：CHEN Dong-yi.From Mobile to Wearable:On Concept,Technology and Application of Wearable[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(8):1-5.