基于交互理念的體育用品智能可穿戴技術及其應用研究*

張茜,鐘嘉馨

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院,上海 200051;2.東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室,上海 200051)

一、體育運動領域智能可穿戴技術的發展背景

物物互聯是當下智能化發展的趨勢之一,物聯網技術成為當下與人們生活息息相關的信息技術。物聯網技術包括傳感技術、多設備網絡連接技術以及低功耗高運算能力的數據處理技術[1]278。交互指人與數字產品或信息服務的交流互動[2]231。物聯網技術之間的整合離不開交互理念的滲透。智能可穿戴設備即是物聯網技術發展下的產物。因此在物聯網背景下,以人為本的交互理念能為智能可穿戴設備的發展提供強有力的支持。智能可穿戴設備實現用戶與產品的連接,要求產品具備感應傳感能力、以5G為基礎的網絡連接和數據處理能力。在體育用品中,以交互理念為主的可穿戴技術可收集用戶的生理信號并對其進行能量收集、儲存以及監測,并通過電子通訊設備給專業運動員、熱愛健身的人群提供準確、實時的數據反饋。

本文基于Scopus 、Sciencedirect兩個數據庫進行檢索,截至2022年1月,以interaction、物聯網(Internet of Things,IoT)、wearable device、sports為關鍵詞進行搜索。其中從Scopus數據庫檢索到5篇論文,經過初步篩選,篩選出相關性較高的2篇論文。從Sciencedirect數據庫431篇論文,在篩選論文時選擇近5年的研究性論文以及綜述共174篇,排除數據處理的云計算結構建立以及數據隱私和安全問題,最終得到40篇論文。本文對這40篇論文進行分析,發現大多是在物聯網背景下提升智能可穿戴技術的技術性文章,少有針對交互理念下可穿戴技術的綜述說明。因此,本文基于調研的論文,討論在交互理念下智能可穿戴技術在體育用品中的發展重難點和有待提升改進之處,旨在為可穿戴體育用品的發展提供建議。

二、體育運動領域的智能可穿戴技術

(一)在體育用品中智能可穿戴技術類型

本文通過調研國內電商銷售平臺淘寶、天貓、京東,以及國外品牌官網如OMsignal、Hexoskin等,共收集到30種智能體育健身可穿戴產品。同時對產品進行相關性能分類(表1)。調研結果顯示:心率監測、運動定位、步數監測、動作矯正以及卡路里消耗功能在體育類可穿戴產品中最為常見;可穿戴體育產品通常采用非侵入式的傳感設備監測運動者的生理數據。以下對主要技術進行分析。

表1 30款體育運動類智能可穿戴產品的技術與功能調研

表1(續)

1.心率監測技術

心率監測技術包括心率信號的獲取、干擾信號的排除以及心率信號的呈現。心率能夠通過動脈血壓、心電圖、脈搏波等信號進行分析提取,而心電圖和脈搏波信號容易受到電信號以及機械力的干擾。為減少干擾、增加心率實時監測時長、提高運動員及運動愛好者的穿戴舒適度,Ningning Xiao等人[3]5采用光電容積法①作為心率傳感器的制備方法,并提出一種自適應混合濾波算法以提高監測類可穿戴設備的可靠性(圖1)。同時為了減小傳感器的監測誤差,Jiayi Zhao[4]40等人在研究可穿戴運動設備時進行了心率算法實驗,結果顯示使用中值濾波器②后的心跳數值和實際數值的誤差在6%以內,準確度更好。

圖1 自適應混合濾波算法的應用

在心率監測技術方面需要考慮信號的準確采集和誤差的消除。在集成方面,心率傳感器可以使用硬性電子元件或柔性材料的方式集成到可穿戴服飾中[5]46-47。此間需要考慮心率傳感器放置的具體部位和穩定性。因為從心率電子元件的角度來說,需要避免由于設備的滑動而產生的數據誤差;從柔性傳感的角度來說,要保證柔性材料的導電性能,以及洗滌后的穩定性。

2.定位技術

追蹤技術是可穿戴設備中不可缺少的一項技術。追蹤技術包括光學動作捕捉③、視覺運動捕捉系統④、GPS衛星定位等。光學和視覺等動作捕捉系統的捕捉準確度較高,但是成本較高,并且需要復雜的運算。從商業化的角度來看,該類追蹤技術難以融入產品實現批量化生產。在調研的體育類產品中設計者常用GPS定位技術來降低成本、減少操作難度。但目前用于可穿戴設備中的GPS定位技術還存在誤差較大、無法在室內運行以及耗電量大等問題。因此,近年來超寬帶(Ultra wideband,UWB)定位傳感器(圖2)由于精度大并且不受室內外條件限制而被用于體育可穿戴設備的定位。但UWB的定位有一定范圍限制。為解決UWB定位傳感器的局限性,并進一步提高定位精度,Adnan Waqar[6]1-3等人采用具有返向傳播功能的多層感知器前饋人工神經網絡⑤這種人工智能模型,以提高UWB定位系統的準確性。此外,為了降低電量消耗,廣州幻境科技有限公司在研究可穿戴的GPS定位技術時,提出將微信的定位技術和慣性輔助定位技術結合起來,使衛星定位系統進行間斷式的工作,降低設備開啟定位模式后的能源消耗,延長設備電量使用時長。

圖2 UWB定位傳感器

3.步數監測

步數監測通常運用在跑步、徒步等體育活動中。智能體育用品通常使用加速度計⑥、陀螺儀⑦以及重力感應器等對運動者的步數進行監測,并通過智能設備接收步數相關信息。步數監測的重點問題在于保證計步的準確性:不僅要考慮技術對不同運動情況的讀取精度,還要考慮技術集成上的精度保證。Bastien Presset[7]45-47等人在實驗環境中測試了智能手機計步器放置在不同人體部位的數據準確性,同時比較了計步器以及智能手機計步程序的準確性,對可穿戴設備的步數監測有一定參考價值。在實驗中計步器被放置在手臂、寬松服裝口袋以及腰帶部位。結果顯示:當計步器緊貼身體并且在手臂位置時,計步器測量數據最為精準。實驗證明:在低速度跑步的狀況下智能手機計步程序計數更加準確;當速度提升到6km/h時,機械計步器計數更加準確。可見,在體育類可穿戴設備中,人在低速跑步時的計數準確性還需要提高,計步運用范圍需擴大。此外,也可將可穿戴設備的計步器與智能手機計步軟件進行更好的數據配合,在一定程度上降低成本。

4.動作矯正

動作矯正即人體運動后的評估矯正,分析運動數據有助于預防肌肉關節受傷。動作矯正包括人體活動時的運動捕捉及采用運動捕捉系統進行數據采集。該系統通常由慣性傳感單元組成,其中包括三軸陀螺儀、加速度計以及磁力計⑧,以校正水平航向的誤差。之后將校正前后的動作姿勢進行比較,使運動者了解運動過程中的不當姿勢。這就是動作矯正的主要流程。動作矯正技術對準確性要求相對較高。為提高精度,Matthew J.Leineweber[8]38-43等人通過光學捕捉器檢查了下肢可穿戴運動捕捉系統的運動學測量誤差,發現影響動作校正的是參考物和測量關節角度之間的恒定偏移。通過算法改進,Mattew等人將誤差縮小到5%以內,提升了捕捉的準確度。矯正后的反饋和呈現——包括智能電子設備的相關數據呈現或者通過矯正部位的振動、聲音等不同感官方式的呈現——都要求反饋數據的及時性。因此可通過算法調整,保證數據與信號同步。在未來動作矯正技術的發展中還可以考慮人與體育可穿戴產品的多感官交互,提高運動者對錯誤動作的敏感度,從而提升動作準確性。

5.能量消耗監測

能量消耗是測量人體活動水平的重要指標。測量能量消耗最為準確的工具包括直接熱量計⑨、間接熱量計⑩以及雙標水?。然而受到成本和測試方式限制,這類測量方式難以在可穿戴設備中使用。市面上的可穿戴設備常用三軸加速度傳感器搭配算法進行能量消耗估算。在追蹤人體運動、評估能量消耗的過程中,此類傳感器需要一直運行,因此設備的續航能力較低。目前監測人體活動的自供電可穿戴設備可以解決可穿戴設備電池續航問題。動能收集技術能將人體運動產生的動能轉化為電能,并在能量獲取的過程中分析人體活動信息以達到監測目的。Ling Xiao等人[9]1-14評估了能量收集器在不同強度下人體的活動數據,指出可以采用活動強度分類和回歸模型實現更加精準的能量消耗監測。能量收集器在保證數據監測的同時發展可持續的電池技術,是未來體育可穿戴設備的發展方向。但目前能量收集的方式主要還處在實驗階段,未來商業化的過程中還需要考慮技術實現問題,增強技術可復制性。

在體育可穿戴設備中非侵入式的生理數據監測技術是最為關鍵的技術。市面上的體育智能設備為增加產品的吸引力,滿足消費者多方面的需求,通常將心率監測、步數監測等技術功能融入產品中。在組合各類傳感器時,設計師還需要考慮整體的兼容性,通過算法分類,減少信號之間的干擾。

(二)體育用品中可穿戴技術的發展重難點

運動體育領域可穿戴技術的交互性主要體現在人體生物與物理信號監測、數據評估以及信號反饋三個方面。從用戶的角度考慮技術的發展升級,需要全過程把握交互理念,提升傳感技術的精確度、數據評估的標準性、信息輸入和反饋的實時性以及電量維持。

1.傳感精確度

傳感精度影響用戶在使用運動健身類可穿戴設備時的信息反饋的時效性,影響用戶下一步行動。提升傳感技術的精確度需要考慮傳感器捕捉有效信號的能力。這要求傳感器能夠監測人體細微變化。如監測運動心率和呼吸的低壓變形傳感器,通過改變壓力傳感器的結構矩陣,使傳感器能夠精確測量人體小于1 KPa的壓力。Geetika Maddirala[10]1-9提出了氣室和聚二甲基硅氧胺(PDMS)組合的電容性傳感器,在寬線性范圍內允許機械形變,實現更高的靈敏度。此外,提升傳感精度要求信號監測的連續性。為提升連續性,Pablo Escobedo等人[11]1-7在設計一個持續監測汗液的可穿戴腕帶時,在電路板下靠近皮膚的區域放置了一塊U型可更換的吸水墊。人體汗液可收集在吸水墊中以保證傳感器讀取汗液信息的流暢性。同時,Pablo Escobedo等人將傳感區域設計成直徑小于3.6mm的區域,保證長時間汗液讀取。傳感器放置的位置對讀數的準確性也有影響。Gloria Cosoli 等人[12]3-12提出,腕帶式體育類可穿戴設備相比胸帶式設備的心率監測準確度更高。因為腕帶式傳感器穿戴于四肢,所以在監測步數時精確度大于胸戴式設備。根據不同需求,傳感器需放置于最佳位置以保證最優性能。

2.信息輸入反饋實時性以及數據評估的標準性

數據處理階段,包括數據預處理、數據提取及分類。初始數據的干擾信息會在一定程度上造成輸入和反饋的延遲。數據處理首先要對初始數據進行清理分段,即濾波階段。常用的工具包括移動平均濾波器、卡爾曼濾波器和互補濾波器。其次是計算提取有效信息,最后建立算法將數據進行分類,主要方法包括決策樹、邏輯回歸、深度神經網絡、向量機等。卷積神經網絡、循環神經網絡是數據分析中常用的工具[13]1-2,通過參數預設機制確保處理器對輸入信號的準確判斷。針對當前運動類可穿戴產品市場現狀,優化多種生理數據的監測系統能提升用戶的體驗感以及用戶對產品的認同度。在這種情況下,可穿戴體育設備需要一個評判該系統的標準。數據處理屬于計算機信息技術,運動領域數據通常來源于人體大量生理、心理數據。因此要求該技術能夠在較短時間內進行信息處理。同時,可穿戴設備還需要建立一個由睡眠、運動醫學、體育領域的專家指導的標準化評價體系,以評估大量數據。如人體的心率、呼吸、能量消耗、運動動作等,為用戶提供快速、準確、有效的反饋信息。此外,對數據的分析處理還涉及對輸入信息的評價,需要通過可穿戴設備深度學習,作出判斷以作出準確的回應。

3.電量維持

體育類智能可穿戴設備根據不同的使用情況,對電源、儲能或硬件功率消耗的要求各有不同。如戶外運動條件下智能設備需要長時間的儲能,以滿足產品的遠程使用需求。設備的能源消耗太快會直接影響用戶的體驗感。因此此類產品需要提升儲能性能。當前智能設備的電源可以通過能量采集的方式進行,如通過壓電[14]、摩擦電[15]1和生物電[16]1的方式實現傳感器的自供電。儲能可以通過超級電容器?,鋰離子電池[17]1等進行。Libu Manjakkal等人[18]1提出一個汗液能量收集和生物電容器,有希望達到3.6mWcm-2的功率密度以供應可穿戴設備的電量。并通過算法實現設備的低功耗運行,延長電池壽命。

三、基于交互理念的可穿戴技術在體育用品中的體現

(一)人與環境信息的交互

在體育健身方面的可穿戴產品主要體現在距離監測以及人體運動狀態監測,如心率、肌電反應以及呼吸監測。本文調研了30個體育健身可穿戴產品,其中人體生理信號監測主要包括心率、呼吸、動作以及能量監測。此外還包括距離、穿戴時長等環境信息獲取。人體數據與環境數據的感應獲得并不是單獨進行。例如采用陀螺儀測出不同人在不同情境下的步距,結合加速度計能夠計算出用戶的步數和行走距離。通過方程計算,該信息又可以計算出運動中的能量消耗,以實現人和環境數據的交互。除了人與現實環境的交互,體育類的可穿戴設備還包括人與虛擬環境的交互。Jan David Smeddincka等人[19]1-5通過結構化問卷對比研究,證明情景鍛煉游戲獲得的虛擬獎勵將會對人的健身情況產生正向影響。例如任天堂健身環通過壓力傳感、陀螺儀將健身、動作和運動量與游戲相結合,讓用戶在運動的同時感受到游戲的樂趣,從而激發用戶運動健身的興趣。

(二)人與產品的交互

人與可穿戴產品的交互體現在整個可穿戴技術流程中。首先是產品讀取人的生理信號或需求,通過云計算和深度學習“理解”該信號所表達的含義,最終將數據以用戶的語言傳遞出去。在此過程中,計算機的理解能力即數據處理能力至關重要。Eglé等人[20]20-24提出了一個復雜的疲勞監測系統和評估平臺。通過放置在額頭和胸部的脈搏傳感模塊、心率和腦電波模塊監測人體ECG信號?、腦電波頻段?等,結合運動醫學、睡眠領域專家知識生成邏輯規則評判用戶的疲勞程度,如圖3(a)所示。該評估系統包括精神疲勞和生理疲勞兩個評估組,以客觀數據和主觀評定方法進行評估。精神疲勞由眨眼頻率、大腦活動頻率、過往睡眠障礙、精神活動進行評定測量,并輔助以腦電波傳感器以及攝像頭觀察眨眼頻率和面部活動,如圖3(b)所示。生理疲勞由中樞神經系統狀態、心臟恢復時間、神經系統平衡、肌肉補償運動等指標測評。最終通過不同模塊藍牙反饋在智能手機上,用戶可以及時了解身體疲勞狀態,作出適當調整。這一疲勞監測系統通過多模塊傳感和計算機運算技術體現人與智能可穿戴產品之間的交互。

圖3 疲勞評估與監測系

(三)人與人的交互

可穿戴技術不僅體現在單個人與環境和產品的交互,還體現在人與人之間的協同交互。例如在戶外運動中運動員既需要個人生理和情緒的調整,也需要協同配合。由此可見,可穿戴設備同樣需要考慮運動的社交屬性。Matthew Louis Mauriello 等人[21]2833-2835提出了一種用于團體跑步的可穿戴柔性電子顯示器(Social Fabric Fitness, SFF),如圖4(a)所示。該設計可以向一組跑步者顯示智能設備穿戴者的平均速度、跑步持續時間以及距離。Erogear的柔性LED顯示屏位于運動服的背部,如圖4(b)所示。顯示屏與手機藍牙連接,通過手機中的運動追蹤軟件將數據傳輸到SFF硬件系統。由領跑的幾位隊員穿著該隊服裝,隊友能夠通過呈現的數據及時了解隊伍的跑步情況,增強團隊協作能力以及運動積極性。同時位于腰部的儀器還能監測跑步者自身心率,幫助他們了解自身運動情況,如圖4(c)所示。在未來可穿戴設備的發展中從運動提示、動作糾正的角度出發,可穿戴設備的鍛煉陪伴屬性可被增強。

圖4 社交性運動柔性可穿戴設備

四、結論

在物聯網發展的今天,把握交互理念對于可穿戴技術的發展具有指導意義。本文探討了體育運動領域可穿戴技術中融入交互理念的主要體現。融入交互理念的可穿戴技術體現出人與設備、人與人以及人與環境的連接關系,具有用戶中心的特征。智能可穿戴技術重點在于保證產品的持續性和使用性,給用戶帶來流暢的使用感和便捷的操作性。這需要考慮感應性能的準確度、數據分析的實時性和標準性以及設備電量的維持。在當前研究領域許多成果推動技術的發展,但是還需要制定一系列標準,明確產品細節,從而推動可穿戴產品走向大眾。

① 光電容積描記法是一種無創測量人體脈搏信號的方法,其波形反映了血管中的血液容積變化。

② 中值濾波器是一種非線性濾波器,是1971作為離散信號的平滑裝置而提出的,其突出特點是在消除脈沖噪聲的同時,保護包含有效信息的單調信號的結構。

③ 數字動作捕捉鏡頭、Mx Giganet、校準工具、采光點、設備專用支架、演員專用服裝Suits、動作捕捉系統圖形工作站、配套應用軟件(智能數據處理軟件)數據實時編輯軟件。

④ 視覺動作捕捉技術軟件需要攝像頭搭配獨特的算法推算出人體的動作姿態。

⑤ 多層前饋神經網絡是指在單計算層感知器的輸入層與輸出層之間引入隱層(隱層個數可以大于或等于1)作為輸入模式的“內部表示”,由此計算單層感知器變成多(計算)層感知器。

⑥ 加速度計是一類利用敏感質量的慣性力或其他方式來測量載體機械運動信息并將其轉化為電學量進行測量或儲存的慣性傳感器的統稱。

⑦ 陀螺儀是一種測量繞敏感軸角速度的裝置。由于其能夠精確地確定物體繞其敏感軸的角速度,并且能夠不受重力或物體移動時所產生的加速度影響,所以常被安裝在高速運動的物體,如飛機或者導彈上,用來做導航或者精確定位。

⑧ 磁力計,也叫地磁、磁感器,可用于測試磁場強度和方向,定位設備的方位。

⑨ 對營養元素燃燒時所產生熱量的直接測定,或將生物體放入密閉的室內,測定散發熱量的裝置。

⑩ 測定氣體交換,根據測定結果以算出能量代謝的裝置。

? 受試者喝入定量的雙標記水,在一定時間內(8～15 d)連續收集尿樣,通過測定尿樣中穩定的雙標記同位素及消失率,計算能量消耗量。

? 超級電容器是一種基于電極/溶液界面的電化學過程的儲能元件,是介于蓄電池和常規電容器之間的新型儲能設備及器件,是一種新型綠色環保產品。

? 心電圖。

? 腦電波是一些自發的有節律的神經電活動,其頻率變動范圍在每秒1～30次之間的,可劃分為四個波段,即δ波(1～3Hz)、θ波(4～7Hz)、α波(8～13Hz)、β(14～30Hz)。