楊孝宗

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，哈爾濱 150001)

淺談可穿戴計(jì)算的發(fā)展

楊孝宗

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，哈爾濱 150001)

現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)像衣物那樣穿戴在我們的身上，就是人們熟知的可穿戴計(jì)算機(jī)，加上各種其他部件，也就變成了智能可穿戴設(shè)備。人們需要計(jì)算機(jī)，更需要緊密的人機(jī)交互，更加隨意的無處不在計(jì)算。在這樣的需求下，可穿戴計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。由于計(jì)算技術(shù)及跨學(xué)科技術(shù)的飛速發(fā)展，又極大地推動(dòng)了可穿戴計(jì)算的發(fā)展。從可穿戴計(jì)算的概念及應(yīng)用入手，根據(jù)當(dāng)前出現(xiàn)的諸多新科技成果、新的跡象，分析其發(fā)展趨勢。

可穿戴計(jì)算；智能；新跡象

1 可穿戴計(jì)算系統(tǒng)是什么[1]

什么是可穿戴計(jì)算系統(tǒng)？不同的人有不同的解釋，因?yàn)樗且粋€(gè)新的事物，有不同說法不足為怪。但是，不管如何說明，都離不開應(yīng)用。比較被多數(shù)人接受的是，可穿戴計(jì)算系統(tǒng)是“按需求將微小型計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備合理地分布在人體之上，人機(jī)合一，以人為本，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)計(jì)算的系統(tǒng)”。比如手機(jī)、智能手環(huán)、智能手表、谷歌眼鏡，等等(如下圖)。

圖1 手機(jī)、智能手環(huán)、智能手表、谷歌眼鏡Fig.1 Cell phone, smart bracelet, smart watch and Google glass

2 可穿戴計(jì)算系統(tǒng)的應(yīng)用 [1]

可穿戴計(jì)算系統(tǒng)是伴隨著人的活動(dòng)而發(fā)揮著極大作用的。下面舉幾個(gè)典型的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.1 醫(yī)療與健康的應(yīng)用

人體特征傳感器、計(jì)算機(jī)、無線收發(fā)器集成在人體上，實(shí)現(xiàn)人體特征的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、無線傳輸，實(shí)現(xiàn)人體狀況與醫(yī)生的實(shí)時(shí)互聯(lián)互通。

圖2 可穿戴式心電儀系統(tǒng)Fig.2 Wearable electrocardiograph system

圖3 基于谷歌眼鏡的醫(yī)療診斷，可實(shí)現(xiàn)異地會(huì)診Fig.3 Remote consultation can be achieved based on Google glasses medical diagnosis

圖4 防老人走失的智能定位鞋F(xiàn)ig.4 Intelligent positioning shoes used for the old losing

2.2 智慧警務(wù)

利用智能可穿戴設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)警務(wù)信息傳輸，實(shí)時(shí)處理，提高警務(wù)效率，減少警務(wù)人員負(fù)擔(dān)以及傷亡。

圖5 常用的警務(wù)通Fig.5 Commonly used police pass

2.3 實(shí)時(shí)維修系統(tǒng)

可穿戴維修系統(tǒng)，集資料圖紙、維修提示、專家指導(dǎo)為一體，極大地提高了維修效率和維修速度。

圖6 可穿戴維修系統(tǒng)Fig.6 Wearable maintenance system

2.4 人們的日常生活

2014年，“零點(diǎn)遠(yuǎn)景e動(dòng)”針對438位25～35歲的城市居民進(jìn)行調(diào)查，智能可穿戴技術(shù)與哪些物件相結(jié)合，結(jié)果：

表1 “零點(diǎn)遠(yuǎn)景e動(dòng)”調(diào)查表Tab.1 “Zero vision e-move” questionnaire

2.5 軍事應(yīng)用

可穿戴計(jì)算技術(shù)結(jié)合到士兵身上，構(gòu)成了“數(shù)字化單兵”系統(tǒng)，極大地提高了士兵的作戰(zhàn)能力，做到士兵可以與司令員直接通話，為搶占信息高地奪取信息戰(zhàn)的勝利起到了無可替代的作用。

圖7 “數(shù)字化單兵”系統(tǒng)Fig.7 “Digital single pawn” system

可穿戴計(jì)算技術(shù)可以在人民生活、國家建設(shè)各個(gè)方面發(fā)揮重要作用。

3 可穿戴計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)[2]

3.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成

無論體積多大，無論用在哪里，一個(gè)可穿戴計(jì)算系統(tǒng)主要由如下部件構(gòu)成： 微小型多端口低功耗計(jì)算機(jī)(硬件、軟件)、 計(jì)算機(jī)接口、電源系統(tǒng)、感知設(shè)備、無線收發(fā)器。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

絕大多數(shù)可穿戴計(jì)算系統(tǒng)，都在如下關(guān)鍵技術(shù)的支撐下完成其功能，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用。構(gòu)成：微小型高性能低功耗計(jì)算機(jī)、微小型高效率電源(電池)、高性能微小型輸入/輸出設(shè)備、 無線組網(wǎng)技術(shù)(基站/自組網(wǎng))、智能交互、 智能織物、 系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)、移動(dòng)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用軟件等)。

4 可穿戴計(jì)算在快速發(fā)展中[1-3]

4.1 簡單的歷史回顧

可穿戴計(jì)算的起源可追溯到1955年，由美國的Edward.O.Thop 推出可穿戴計(jì)算機(jī)，以后不斷有人推出各種用途的不同類型的可穿戴計(jì)算系統(tǒng)，比如：1981年，Steve Manner 就研制出了背負(fù)式計(jì)算機(jī)，頭戴顯示器，有七個(gè)開關(guān)控制的閃光燈。1991年，美國 CMU大學(xué)的系列產(chǎn)品Vumen，用于維修、瀏覽建筑圖。1994年，Steve Mann 又實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的無線上網(wǎng)。1996年，我國在哈工大召開了“首屆全國可穿戴計(jì)算學(xué)術(shù)會(huì)議”，2000年后開始了產(chǎn)業(yè)化。在系統(tǒng)智能化，高可穿戴性，面向醫(yī)療健康、軍事、城市、日常生活等應(yīng)用上，可穿戴計(jì)算發(fā)展極其迅速。

可穿戴計(jì)算的出現(xiàn)和發(fā)展，使“人圍著機(jī)器轉(zhuǎn)變換到機(jī)器圍著人轉(zhuǎn)”。

4.2 從新跡象看可穿戴計(jì)算的變化和發(fā)展趨勢

可穿戴計(jì)算是在各個(gè)領(lǐng)域的迫切需求下提出來的，是在跨學(xué)科的技術(shù)迅速發(fā)展下發(fā)展起來的，即所說的“需求牽引，技術(shù)推動(dòng)”。當(dāng)前，各學(xué)科紛紛推出新的研究成果，并結(jié)合到了可穿戴計(jì)算系統(tǒng)，使其煥然一新。讓我們分析下面幾個(gè)新的跡象。

4.2.1 元器件及設(shè)備集成度大幅提高，極大地減少了系統(tǒng)體積

比如，深受關(guān)注的谷歌眼鏡(如圖所示)、計(jì)算機(jī)、顯示器、收發(fā)器、攝像頭、控制器等，集成到小小的眼鏡腿和鏡片上，應(yīng)用起來非常方便。

圖8 谷歌眼鏡結(jié)構(gòu)Fig.8 The structure of Google glasses

計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備的小型化，促成了可穿戴系統(tǒng)的小型化，從而迅速地拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。

4.2.2 系統(tǒng)操作更加智能化

一直以來，可穿戴計(jì)算系統(tǒng)是人通過按鍵來進(jìn)行操控的，可是當(dāng)前出現(xiàn)了通過人的大腦信號來實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)，即稱之為“意念控制”。最早實(shí)現(xiàn)意念控制的是在英國(如圖所示)，使用者可以在打算拍照片并發(fā)送的意念下，使谷歌眼鏡拍照片并發(fā)送。

圖9 “意念控制”Fig.9 “Idea control”

4.2.3 新的顯示技術(shù)

圖10 微小型投影儀Fig.10 Micro miniature projector

圖11 柔性顯示屏Fig.11 Flexible display

圖10是手環(huán)式微小投影儀，這樣小的投影設(shè)備，將會(huì)改變可穿戴計(jì)算系統(tǒng)僅依靠傳統(tǒng)顯示屏的狀態(tài)。加上柔性顯示技術(shù)，從而改變了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)模式，增加了應(yīng)用領(lǐng)域。

4.2.4 智能織物的強(qiáng)勁介入

智能織物的介入，不僅極大地提高了系統(tǒng)可穿戴性，而且改變了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)了人機(jī)交互。

本來，可穿戴系統(tǒng)就要“穿戴”在身上的。在智能織物介入之前，圍繞在人體上的只能是金屬的條條塊塊。有了智能織物，則恢復(fù)了“可穿戴”的本性。智能織物本身是利用智能纖維或感應(yīng)纖維紡織而成。有的傳感器、顯示器、信號連接、按鍵等等，都可由智能纖維制成，這樣，一個(gè)可穿戴系統(tǒng)，外表上看去就是一件衣服加配飾。早期的基于智能織物的可穿戴系統(tǒng)如圖所示。

圖12 基于織物的傳感器Fig.12 Fabric-based sensor

圖13 織物開關(guān)Fig.13 Fabric switch

4.2.5 新能源技術(shù)

一個(gè)可穿戴計(jì)算系統(tǒng)是否真正發(fā)揮作用，能源是關(guān)鍵。誰也不會(huì)希望自己的應(yīng)用系統(tǒng)僅工作一會(huì)就沒電了。目前主要依靠的是電池，普通用的鋰電池連續(xù)工作時(shí)間是非常有限的。因此，電池問題成了系統(tǒng)的瓶頸。當(dāng)下出現(xiàn)的鋁箔電池和無線充電技術(shù)(如圖所示)，給了人們一個(gè)改善能源供應(yīng)的新希望。

圖14 鋁箔電池Fig.14 Foil battery

圖15 無線充電Fig.15 Wireless charging

5 結(jié)語

綜上所述，可穿戴計(jì)算正在飛速發(fā)展中，可以預(yù)見，它必將更緊密結(jié)合人類的日常生活，成為我們的服飾，將發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其在醫(yī)療與健康、智慧化城市建設(shè)、國防建設(shè)等方面，會(huì)首先感覺到它的威力。

[1] 楊孝宗.分析可穿戴計(jì)算的發(fā)展趨勢[C]/ /第四屆全國可穿戴計(jì)算學(xué)術(shù)會(huì)議，2014.

[2] Yang Xiaozong. Networked wearable computer architecture[C]// NICST’，2017.

[3] 楊孝宗.是什么阻礙了可穿戴計(jì)算產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[C]// 第五屆全國可穿戴計(jì)算學(xué)術(shù)會(huì)議， 2015.

Discussiononthedevelopmentofwearablecomputing

YANG Xiao-zong

(School of Computer, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Nowadays, computers are worn like wears on wearers, and wearable computers, well known to man, together with a variety of other components, are smart wearable devices. People need computers, but also need close human-computer interaction. In this demand, wearable computing came into being. Due to the rapid development of computing technology and interdisciplinary technology, the development of wearable computing has been greatly promoted. From the concept and application of wearable computing to start, the development trend was analyzed according to the current emergence of new technological achievements and new signs.

Wearable computing; Intelligence; New signs

TP368.33

A

1674-8646(2017)21-0160-03

2017-10-01

楊孝宗(1939-)，男，博士研究生導(dǎo)師，教授。