可穿戴智能設(shè)備的用戶交互技術(shù)

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心 李劍煒

隨著電子設(shè)備和人工智能技術(shù)的發(fā)展，用戶交互在智能設(shè)備中的重要性與日俱增，現(xiàn)如今的傳統(tǒng)電子設(shè)備已經(jīng)無法滿足用戶對于便攜性和功能性的需求。而更為輕便智能的可穿戴設(shè)備作為傳統(tǒng)電子設(shè)備的替代品逐漸被廣大用戶所接受。本文將從人機(jī)交互的角度對可穿戴設(shè)備的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行回顧，對該領(lǐng)域的各種主流技術(shù)的重點(diǎn)專利申請、重要生產(chǎn)商及其研究重點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，最后展望了未來可穿戴智能電子設(shè)備的發(fā)展前景。

目前，可穿戴設(shè)備的用戶交互數(shù)據(jù)包括的采集方式有用戶的身體數(shù)據(jù)（如腦電波、心率、脈搏）、生物電數(shù)據(jù)（如靜息電位）；面部、手指、身體軀干等的行為檢測；眼部以及目光追蹤；環(huán)境數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、海拔、空氣清潔度等）；場景適應(yīng)（如熱致變色、光致變色、電致變色等）。還有例如通過肌電圖（EMG)以及結(jié)合麥克風(fēng)或其他聲學(xué)傳感器來識別口腔運(yùn)動(dòng)。

除此之外，智能穿戴設(shè)備更期望達(dá)到的目的是使用普通電子設(shè)備時(shí)不局限于傳統(tǒng)場景、使可穿戴設(shè)備達(dá)到與普通智能終端實(shí)現(xiàn)同樣的功能、以及通過近距離接觸獲取身體信息達(dá)到萬物互聯(lián)等。其中，為了使智能穿戴設(shè)備達(dá)到以上功能，其需要的技術(shù)分布覆蓋了傳感器、終端互聯(lián)、集成芯片、電源控制和操作系統(tǒng)等多個(gè)方面。

可穿戴智能設(shè)備可按照穿戴方式分為頭戴式、腕帶式、攜帶式和身穿式四種類型，根據(jù)類型的不同，設(shè)備執(zhí)行不同的功能，也使用不同種類的交互方式。下面將四類設(shè)備的主要產(chǎn)品及交互方式進(jìn)行舉例。

1 頭戴式設(shè)備

頭戴式設(shè)備最常見的有：頭盔式AR設(shè)備、眼鏡式AR設(shè)備等。其特點(diǎn)包括：可以展示用戶所在的真實(shí)場景與虛擬場景的融合、可利用骨傳導(dǎo)或耳機(jī)發(fā)送私密聲音信號、與用戶所在的空間屬性和頭頸運(yùn)動(dòng)屬性高度相關(guān)。頭戴式智能設(shè)備的交互方式有：耳機(jī)或骨傳導(dǎo)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或虛擬現(xiàn)實(shí)；語音控制；肢體運(yùn)動(dòng)感應(yīng)（如陀螺儀或重力傳感器）；身體信息感應(yīng)（如腦電波）等。智能眼鏡的專利申請主要集中在三星、谷歌、微軟、索尼等國外公司手中。對于引起廣泛關(guān)注的谷歌眼鏡是谷歌公司在2012年推出的，與此同時(shí)谷歌公司申請了一件用于虛擬輸入設(shè)備的方法和系統(tǒng)的相關(guān)專利，利用用戶佩戴的眼鏡將虛擬鍵盤投射到平面上，并獲取手指的位置判定將要產(chǎn)生的動(dòng)作。此外，在2015年微軟也為其智能穿戴技術(shù)申請了涉及微型投影儀的眼鏡，用以使眼鏡佩戴者可以通過手勢進(jìn)行智能控制，并配合智能指環(huán)和手表等設(shè)備共同使用。

在國外技術(shù)大潮的影響之下，國內(nèi)公司也相應(yīng)提出了針對智能頭戴技術(shù)的專利申請。聯(lián)想提出的專利申請中，基于用戶瞳孔位置變化確定用戶視線注視的位置，使用戶可以控制例如針對顯示的閱讀應(yīng)用的翻頁、視頻應(yīng)用的快進(jìn)快退等，實(shí)現(xiàn)無需傳統(tǒng)的手指操作即可達(dá)到瀏覽多媒體的功能。小米公司提出了一種拍攝控制方法及裝置，使得智能穿戴設(shè)備檢測到用戶預(yù)設(shè)動(dòng)作的同時(shí)自動(dòng)觸發(fā)智能終端進(jìn)行拍照，從而實(shí)現(xiàn)遙控拍照的功能。

而對于使用腦電波進(jìn)行交互的可穿戴設(shè)備，三星公司申請的專利中根據(jù)采集用戶的腦電波，確定用戶對于注視信息的偏好程度，便于電子設(shè)備配置用戶顯示內(nèi)容UI。此外，LG公司更是使用了用戶視線與手勢相結(jié)合的方式進(jìn)行交互，使在不拋棄傳統(tǒng)手勢的基礎(chǔ)上增加了更多與可穿戴智能終端交互的功能。

2 腕帶式設(shè)備

腕帶式設(shè)備是現(xiàn)如今智能穿戴設(shè)備中最普及和最常見的類型，包括有智能手表和運(yùn)動(dòng)手環(huán)等。在現(xiàn)如今各廠商智能手表的推廣，以及以歐姆龍代表的醫(yī)療產(chǎn)品在智能手環(huán)上的應(yīng)用，作為最易于實(shí)現(xiàn)的智能穿戴設(shè)備的腕帶式設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用在了普通人的日常生活中。根據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)最新數(shù)據(jù)，蘋果公司的iWatch、Gamin（佳明）運(yùn)動(dòng)手表和華為智能手表合并的市場份額達(dá)到了接近70%。

腕帶式智能穿戴設(shè)備特點(diǎn)包括：可貼近式測量用戶身體參數(shù)、最接近用戶的行為習(xí)慣（利用手或肢體）、一般利用低功耗通信技術(shù)（如藍(lán)牙4.0）與手機(jī)App配合使用、作為傳統(tǒng)移動(dòng)智能設(shè)備的輔助工具（如接收通知、快速設(shè)置）等等。腕帶式設(shè)備的交互方式與普通智能終端也更加相似，因此也更容易被用戶接受。

而人機(jī)交互作為智能手表未來主要的突破方向，必須要滿足更多樣化的感知和交互操作模式。從最簡單的通過手指按壓觸摸屏上的按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，到通過感測肌肉、關(guān)節(jié)、外部環(huán)境等方式進(jìn)行智能穿戴設(shè)備的控制，可穿戴智能設(shè)備的用戶交互朝著更多功能更方便用戶使用的方向改變。例如LG公司申請的專利通過位置傳感器感測與預(yù)設(shè)的激活手勢相對應(yīng)的位置變化，如使用終端與手表貼近或觸碰，使用戶在沒有按下輔助按鈕的情況下可以激活手表式移動(dòng)終端的屏幕，達(dá)到快速配對的功能。更多的生產(chǎn)廠商使用了基于手臂肌肉電流檢測和運(yùn)動(dòng)傳感器來進(jìn)行手勢識別的方案。西安電子科技大學(xué)的專利申請?zhí)岢隽嘶趧?dòng)作識別的智能手表及動(dòng)作識別方法，使用者可以通過手臂的抬起、晃動(dòng)和移動(dòng)方向?qū)υO(shè)備內(nèi)菜單進(jìn)行控制。索尼公司的專利申請更提出了關(guān)閉觸摸傳感器，僅通過加速度傳感器來判斷用戶姿勢，進(jìn)一步開啟智能設(shè)備不同功能的技術(shù)方案。

此外，智能手表較多應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域，利用生物傳感器實(shí)現(xiàn)健康預(yù)警、病情監(jiān)控等。而借助環(huán)境傳感器采集的溫度、濕度、氣體、氣壓、紫外線等環(huán)境數(shù)據(jù)，主要用于環(huán)境監(jiān)測、天氣預(yù)報(bào)、健康提醒等。

3 攜帶式設(shè)備

與智能手環(huán)相比，智能攜帶式設(shè)備普及范圍更小，也沒有智能手環(huán)應(yīng)用的廣泛。其現(xiàn)有代表包括：Airtag、Smarttag。例如蘋果公司在2021年春季發(fā)布會(huì)上發(fā)布的Airtag以及三星在更早時(shí)間發(fā)布的Smarttag，都是通過將物品綁定藍(lán)牙發(fā)送器已達(dá)到防丟防走失功能。而與智能防丟設(shè)備相比，耳戴式設(shè)備更具有便攜性和通用型。耳戴式設(shè)備的主要用途是通信和音頻播放，輕便、長續(xù)航、易充電等優(yōu)勢功能已成為耳戴式設(shè)備的基本特點(diǎn)。例如蘋果公司的Airpods系列產(chǎn)品，在2020年全球無線耳機(jī)市場中占據(jù)了將近一半的份額。其不但能夠?qū)崿F(xiàn)語音控制、觸摸響應(yīng)、藍(lán)牙連接等基本功能，而且在支持無線充電后，也真正實(shí)現(xiàn)了成為一款純無線的智能穿戴設(shè)備。

4 身穿式設(shè)備

由于獲取的數(shù)據(jù)更加精確，身穿式設(shè)備相較于其他智能穿戴設(shè)備而言，更多的應(yīng)用在專業(yè)度較高的領(lǐng)域。例如俱樂部中關(guān)于運(yùn)動(dòng)員的身體狀況管理、醫(yī)院中對于病人的遠(yuǎn)程監(jiān)控、或者極端條件下作業(yè)人員的安全監(jiān)控等方面。現(xiàn)有的能夠近距離接觸到的身穿式設(shè)備包括：三星SmartSuits、UnderArmour智能跑鞋、Nike HyperAdapt Trainer等。其特點(diǎn)有：直接穿在身體上或與日常穿著結(jié)合、高精度獲取待測數(shù)據(jù)。相對應(yīng)的交互方式包括：借助服裝材料的特殊性進(jìn)行反饋（如變色、身體的壓力及觸覺反饋）；肢體運(yùn)動(dòng)感應(yīng)（如肌肉檢測）；可貼近式測量用戶身體參數(shù)；基于特殊服裝材料，實(shí)現(xiàn)防護(hù)、偽裝、提升身體性能等功能。

例如耐克公司申請的專利提出的通過在運(yùn)動(dòng)鞋中增加芯片，將用戶的運(yùn)動(dòng)信息包括運(yùn)動(dòng)路徑、卡路里等進(jìn)行分析，以此實(shí)現(xiàn)對用戶運(yùn)動(dòng)行為的監(jiān)測。索尼公司申請的專利提出的智能可穿戴設(shè)備可以根據(jù)傳感器收集用戶生物特征中的一項(xiàng)或多項(xiàng)進(jìn)行分析，并將用戶的健康狀態(tài)上傳至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行評估。以及可嵌入人體內(nèi)部仿生性能的智能服裝，可提高人體機(jī)能的柔性外骨骼、適用于各種環(huán)境參數(shù)的主動(dòng)式熱管理皮膚衣等。更多的，身穿式設(shè)備可以應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，在作戰(zhàn)中可以根據(jù)采集到的環(huán)境信息智能調(diào)整防護(hù)手段，如熱致變色、光致變色、電致變色，以幫助作戰(zhàn)人員躲避紅外、雷達(dá)追蹤；智能識別環(huán)境屬性，在識別到有害化學(xué)物時(shí)，能響應(yīng)外部刺激，為穿著者提供即時(shí)阻隔和保護(hù)。

隨著高分辨率顯示設(shè)備、柔性屏幕、微型處理器、多功能傳感器等技術(shù)的飛速發(fā)展，智能穿戴設(shè)備從概念走向市場，也從相對獨(dú)立的智能移動(dòng)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)向了電子智能生態(tài)系統(tǒng)中的一分子。與云平臺或跨平臺系統(tǒng)的便捷交互，智能采集數(shù)據(jù)信息，適配多種便于用戶交互行為的智能穿戴應(yīng)用，以及建立與物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)聯(lián)系已經(jīng)成了可穿戴設(shè)備成功的關(guān)鍵所在。這一切都為交互設(shè)計(jì)提供了很大的發(fā)揮作用的空間。開發(fā)人員與用戶體驗(yàn)的同步提升共同促進(jìn)了可穿戴設(shè)備用戶交互領(lǐng)域突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由上面列舉的可穿戴智能設(shè)備的發(fā)展和類型變化，基于現(xiàn)如今5G應(yīng)用的快速發(fā)展，我們可以預(yù)見到今后的可穿戴設(shè)備的用戶交互將會(huì)朝著代替?zhèn)鹘y(tǒng)計(jì)算設(shè)備、密集互聯(lián)和專用化方向發(fā)展。普通的基于用戶接觸進(jìn)行響應(yīng)的交互方式將會(huì)在不久的未來逐漸退出市場，而利用各種精密的傳感器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、語音識別系統(tǒng)、或者依靠判斷用戶的普通行為進(jìn)行用戶需求的判斷即將取代硬性的用戶手勢交互成為新產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。同時(shí)，也可以利用交互設(shè)計(jì)注重用戶使用模式及服務(wù)體系設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，通過創(chuàng)新性應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，推動(dòng)可穿戴設(shè)備在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展。