鄭鵬 黃天智 史云勝

4類可穿戴設(shè)備改變?nèi)祟惿?/h3>

可穿戴設(shè)備的形態(tài)豐富多樣，其可穿戴于人體的多個部位，常見有手環(huán)、手表、眼鏡等。按照穿戴部位不同，可穿戴設(shè)備分為頭頸類、上肢類、軀干類、下肢類等4大類。

頭頸類可穿戴設(shè)備，主要有虛擬現(xiàn)實（VR，Virtual geality）和增強現(xiàn)實（AR，Augmented Reality）類智能眼鏡。它可以將地圖、信息、照片、影音等內(nèi)容投影在鏡片上，同時還具有搜索、拍照、通話、定位導(dǎo)航等功能。用戶可通過語音或者手勢對設(shè)備進(jìn)行操控。其代表產(chǎn)品有谷歌公司的谷歌眼鏡和微軟公司的Hololens全息眼鏡。

上肢類可穿戴設(shè)備，主要有智能手環(huán)、智能手表等。除了傳統(tǒng)的時間顯示和鬧鐘提醒功能，這些設(shè)備還通過各類傳感器實時檢查使用者的心率、脈搏、步速、血氧等，從而獲得用戶運動或睡眠時的身體數(shù)據(jù)。與手機連接后，還能進(jìn)行信息提醒顯示、地圖導(dǎo)航、手機應(yīng)用操作等。這類設(shè)備比較常見的有小米手環(huán)、蘋果iWatch、三星GalaxyWatch、華為Watch等。

軀干類可穿戴設(shè)備，主要有全身外骨骼和智能衣物等。它可以穿戴于人體軀干上，通過電子、機械、液壓等技術(shù)，輔助增強人體的機能或?qū)崿F(xiàn)某種特定功能。例如美國雷神公司的XOS全身外骨骼，它由各種復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和控制器等組成，通過液壓驅(qū)動，可使穿戴者輕松舉起90kg的重物，還能擊穿76.2mm厚的木板。智能衣物主要是將小型傳感器、智能芯片等編織進(jìn)衣物，可以感應(yīng)周圍的環(huán)境并收集相關(guān)信息來實現(xiàn)特定的功能。2018年8月，美國麻省理工學(xué)院團隊通過一種新型制造方法，成功將發(fā)光二極管和傳感器直接編織入紡織級聚合物纖維中。這種纖維非常柔韌，可以織成衣服面料，未來這些面料將用于通信、照明、生理監(jiān)測等。

微軟公司的Hololens全息眼鏡

下肢類可穿戴設(shè)備，常見有下肢外骨骼和智能鞋墊等。下肢外骨骼可以輔助增加穿戴者的下肢力量、分擔(dān)體力消耗，常見有幫助殘障人士的助行外骨骼。美國洛克希德·馬丁公司最新設(shè)計的Onyx下肢外骨骼系統(tǒng)，膝關(guān)節(jié)采用電機驅(qū)動實現(xiàn)人機協(xié)同運動，能輔助膝關(guān)節(jié)屈伸來減少穿戴者下肢運動時的能量消耗，增強人員的耐力。哥倫比亞一家設(shè)計公司發(fā)明的智能鞋墊Save OneLife，可通過感應(yīng)周圍大型金屬與其產(chǎn)生的電磁場來提醒士兵改變前進(jìn)路線。

谷歌眼鏡

智能手環(huán)

智能手表

可穿戴設(shè)備提升單兵綜合作戰(zhàn)能力

雖然當(dāng)前許多可穿戴技術(shù)仍處于研發(fā)初期，尚未成熟，但其在軍事領(lǐng)域的廣闊前景已形成廣泛共識。裝備可穿戴設(shè)備的智能士兵可強化信息交互，增強特定能力，更加符合未來信息化戰(zhàn)爭的需要，世界各國均投入大量財力物力發(fā)展軍用可穿戴裝備，形成了智能頭盔、外骨骼系統(tǒng)、智能作戰(zhàn)服等系列化軍用裝備，可大大增強單兵的綜合作戰(zhàn)能力。

智能鞋墊SaveOne Life

可穿戴設(shè)備能夠增強士兵的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力

可穿戴裝備對單兵作戰(zhàn)能力的提升表現(xiàn)在以下幾個方面。

通過信息無縫交互提高單兵態(tài)勢感知能力

美國雷神公司的XOS全身外骨骼

下肢外骨骼系統(tǒng)

在未來復(fù)雜的數(shù)字化戰(zhàn)場中，態(tài)勢感知將成為決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的關(guān)鍵?？纱┐髟O(shè)備的使用將極大地增強單兵的態(tài)勢感知能力。穿用可穿戴裝備的士兵可以在觀察戰(zhàn)場的同時，獲得行動路線、友鄰位置、敵方部署等戰(zhàn)場信息，幫助其更加快速準(zhǔn)確地做出決策和響應(yīng)。

美國麻省理工學(xué)院團隊將發(fā)光二極管和傳感器直接編織入紡織級聚合物纖維中

通過身體狀態(tài)實時監(jiān)測提高單兵戰(zhàn)場生存能力

智能作戰(zhàn)服、手環(huán)等設(shè)備可實時監(jiān)測士兵的生理指標(biāo)，為指揮員評估其戰(zhàn)場狀態(tài)提供幫助，并使士兵得到及時救治。當(dāng)士兵負(fù)傷時，他的生命體征和位置信息將發(fā)送給戰(zhàn)場醫(yī)務(wù)人員，傷員能夠得到及時救助，從而提高戰(zhàn)場生存能力。

通過機能輔助增強提高單兵機動行軍能力

在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭條件下，士兵遂行的行動任務(wù)增多，需要攜帶的裝備和物資也相應(yīng)增多，負(fù)荷越來越重，體能消耗大大增加，嚴(yán)重影響著士兵的行軍速度、機動靈活性和持續(xù)作戰(zhàn)能力。通過穿戴外骨骼系統(tǒng)和智能作戰(zhàn)服，可以輔助增強人體的生理機能，減少代謝消耗，提高士兵負(fù)重能力，延長持久機動能力并提高機動速度。

通過威脅探測預(yù)警提高單兵戰(zhàn)場防護(hù)能力

戰(zhàn)場環(huán)境惡劣復(fù)雜，各種危險時刻威脅著戰(zhàn)士的生命。除敵方火力打擊這種可見的威脅外，還有狙擊手、地雷、核輻射、生化武器等隱匿的危險。規(guī)避這些威脅，可穿戴設(shè)備能夠發(fā)揮積極的作用。未來戰(zhàn)場上，戰(zhàn)士通過穿戴探測狙擊手位置的背負(fù)式反狙擊手探測裝置、感知爆炸物的智能鞋墊、自動預(yù)警核生化威脅的生物傳感器等便攜式可穿戴設(shè)備，能夠提前對周圍的威脅源進(jìn)行感知預(yù)警，相應(yīng)地采取規(guī)避措施，從而有效提高單兵的主動防護(hù)能力。

軍事應(yīng)用之路任重而道遠(yuǎn)

可穿戴設(shè)備在民用領(lǐng)域已有很多成熟產(chǎn)品，但在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于萌芽階段。主要原因是軍事應(yīng)用對可穿戴設(shè)備的可靠性、魯棒性、安全性等要求更加嚴(yán)苛。

當(dāng)前可穿戴設(shè)備相關(guān)技術(shù)還有不少問題亟待解決——

系統(tǒng)質(zhì)量問題

受技術(shù)現(xiàn)狀和成熟度的限制，當(dāng)前軍用可穿戴設(shè)備的質(zhì)量解決還不成熟，給使用者帶來的體驗并不理想。尤其是頭頸類的可穿戴裝備，由于質(zhì)量過重，士兵極易產(chǎn)生壓迫感和疲勞感，影響作戰(zhàn)行動有效進(jìn)行。針對這個問題，一方面可以尋求材料方面的突破，找到一種更加輕盈，同時足夠結(jié)實耐用的新型材料來降低可穿戴設(shè)備的系統(tǒng)質(zhì)量。另一方面，需要持續(xù)大力推動集成化和微型化技術(shù)攻關(guān)，采用先進(jìn)的封裝技術(shù)，通過系統(tǒng)級封裝微型化技術(shù)，將元件整合到極小的單一封裝中，以簡化電路板設(shè)計和小型化裝備設(shè)計，努力減小系統(tǒng)整體質(zhì)量，爭取達(dá)到可“忽視存在”的效果。

新型輕質(zhì)材料的使用可有效減小可穿戴設(shè)備的質(zhì)量

續(xù)航時間問題

為了更好地實現(xiàn)其功能，可穿戴設(shè)備需增加更多更強的傳感器、控制器等電子元件，設(shè)備功率需求也隨之增加。另外，實時監(jiān)測和隨時響應(yīng)的工作機制也使得可穿戴設(shè)備的功耗高于其他設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備效能的發(fā)揮高度依賴電源支持，電能耗盡后即成為負(fù)擔(dān)。而在激烈對抗的實際戰(zhàn)場中，士兵完成戰(zhàn)斗任務(wù)時很難得到額外的電源支持。因此，續(xù)航時間問題是制約可穿戴設(shè)備在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。破解這個問題，一是需要進(jìn)一步優(yōu)化電源管理，同時發(fā)展低功耗器件，盡可能降低系統(tǒng)運行功耗。二是迫切需要找到更高能量密度，同時更可靠、更安全的電池技術(shù)。就目前已知的電池類型來看，擁有最高能量密度的鋰氟化碳電池具有較好的發(fā)展前景。2018年，美國橡樹嶺國家實驗室通過使用固態(tài)電解質(zhì)成功增加鋰氟化碳電池容量，實現(xiàn)了超大電量的可能。三是進(jìn)一步提高環(huán)境發(fā)電的轉(zhuǎn)化效率。高效太陽能發(fā)電、人體運動微發(fā)電、體溫感應(yīng)微發(fā)電、血液微發(fā)電等技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，可以直接為可穿戴設(shè)備提供不問斷的能源供給，解決續(xù)航時長問題。

人機適應(yīng)性問題

可穿戴設(shè)備是人機緊耦合設(shè)備，其對人機協(xié)調(diào)性、穿戴舒適性有較高的要求。目前可穿戴設(shè)備在軍事上的應(yīng)用仍處在基礎(chǔ)功能實現(xiàn)階段。如何在增強士兵機能的同時不影響士兵的靈活性，如何在額外增加設(shè)備的同時不影響士兵對武器的操控等人機適應(yīng)性問題，還需要不斷探索與改進(jìn)。在穿戴舒適性方面，柔性器件的發(fā)展研究應(yīng)在可穿戴設(shè)備后續(xù)發(fā)展中得到更多重視，使得產(chǎn)品更加柔軟舒適、更加貼合人體，最終達(dá)到與士兵身體的完美結(jié)合。在操作便捷性方面，設(shè)計過程中將對人機工效給予更加充分考慮，隨著手勢控制、語音控制等技術(shù)更加成熟，以及肌電、腦電等新型控制技術(shù)的不斷發(fā)展，士兵的雙手將被真正解放出來，可穿戴設(shè)備的人機交互方式變得更加多元與友好。

可穿戴設(shè)備需要更加高效的能源

利用腦電控制無人裝備

操作系統(tǒng)問題

操作系統(tǒng)作為可穿戴設(shè)備的大腦，是設(shè)備的基礎(chǔ)核心，它的性能直接決定著設(shè)備的優(yōu)劣。與電腦、手機等設(shè)備相比，可穿戴設(shè)備需要更加簡潔高效的操作系統(tǒng)。目前常見的可穿戴設(shè)備操作系統(tǒng)主要有VxWorks、μClinux等實時操作系統(tǒng)（RTOS），以及定制裁減版Android、Android Wear等Android系統(tǒng)，還有三星的Tizen系統(tǒng)和蘋果的IOSWear系統(tǒng)。這4類操作系統(tǒng)均具有一定的成熟度，使用方面各有優(yōu)缺點，民用可穿戴設(shè)備可以根據(jù)產(chǎn)品特點進(jìn)行自由選擇。但是作為軍事應(yīng)用，對可穿戴設(shè)備有著特殊的要求。操作系統(tǒng)作為其核心關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)該采用國產(chǎn)系統(tǒng)，做到自主可控。由于這類操作系統(tǒng)技術(shù)難度高、需求量小等原因，國內(nèi)的科技公司在該領(lǐng)域鮮有建樹，這也是我國可穿戴設(shè)備軍事應(yīng)用所面臨的最大問題之一。當(dāng)前，實際得到應(yīng)用的國產(chǎn)可穿戴設(shè)備只有華為的Liteos操作系統(tǒng)。未來應(yīng)不斷加大對國產(chǎn)操作系統(tǒng)開發(fā)的資金投入，盡快研發(fā)出更多更好用的國產(chǎn)操作系統(tǒng)。

華為LiteOS是用于可穿戴設(shè)備的國產(chǎn)操作系統(tǒng)

傳感器問題

傳感器是可穿戴設(shè)備的觸角，也是其智能化的基礎(chǔ)。軍用可穿戴設(shè)備對傳感器的需求主要為運動傳感、生物傳感和環(huán)境傳感等。運動傳感技術(shù)包括加速度傳感器、陀螺儀、電磁傳感器、大氣傳感器等，實現(xiàn)運動探測、導(dǎo)航、人機交互功能，進(jìn)而達(dá)到測量、記錄和分析人體活動的效果。生物傳感技術(shù)主要采用血壓傳感器、心電傳感器、肌電傳感器、體溫傳感器、腦電波傳感器，實現(xiàn)人體生理機能參數(shù)測定、評估士兵作戰(zhàn)狀態(tài)，為支援保障提供數(shù)據(jù)支撐。環(huán)境傳感技術(shù)主要采用溫濕度傳感器、氣壓傳感器、紫外線傳感器、麥克風(fēng)、圖像視頻采集設(shè)備等，對戰(zhàn)場環(huán)境實時感知。隨著技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，可穿戴設(shè)備的智能化要求越來越高，需要獲得的數(shù)據(jù)也會越來越多，這就需要更多傳感器，同時對傳感器的測量精度和穩(wěn)定性也提出了更高的要求。民用可穿戴設(shè)備的傳感器測量失誤也許僅僅給使用者一個不正確的運動建議，作為輔助功能來說影響并不大，但在軍事領(lǐng)域，出現(xiàn)這樣的錯誤可能會引起災(zāi)難性的后果。因此，在軍事應(yīng)用中傳感器的精度和穩(wěn)定性必須得到足夠的重視，使其能夠在高度惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中準(zhǔn)確可靠地感知使用者的狀態(tài)和周邊環(huán)境情況，為戰(zhàn)場決策提供有效的幫助。

一種可貼在身體表面的柔性傳感器

數(shù)據(jù)安全問題必須得到足夠重視

數(shù)據(jù)交流通信問題

隨著可穿戴設(shè)備功能的日漸強大，復(fù)雜的設(shè)備可能由多個功能組件構(gòu)成，各組件之間必須建立可靠的數(shù)據(jù)交流通道。另外，可穿戴設(shè)備不會獨立地存在，為了實現(xiàn)其潛能，必須采用某種方式接入更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中，以便與其他設(shè)備進(jìn)行交互。因此，設(shè)備內(nèi)部組件之間、設(shè)備與設(shè)備之間如何進(jìn)行快速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換，如何避免連接線纜對士兵運動的干擾等亦是可穿戴設(shè)備軍事應(yīng)用需要面對的重要問題。針對這一問題，采用柔性材料將電子線路編織到衣物中和采用短距無線實時傳輸技術(shù)是目前比較主流的兩種解決方案。智能編織物的方案可以較好解決設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)交流通信的問題，對于不同設(shè)備之間的交流通信，采用短距無線實時傳輸技術(shù)的方案則更加可行。該方案圍繞單兵構(gòu)建了無線傳輸身體網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)可穿戴設(shè)備之間的無線實時傳輸功能，有效降低線纜連接的復(fù)雜度，減小對士兵戰(zhàn)術(shù)動作的影響。

數(shù)據(jù)安全問題

軍用可穿戴設(shè)備的應(yīng)用將會成為指揮網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點，必須保證其數(shù)據(jù)安全。一方面需對其數(shù)據(jù)采用必要的加密手段，降低信息被盜取或冒用的風(fēng)險。另一方面，由于可穿戴設(shè)備本身的便攜屬性，必須考慮設(shè)備遺失后的安全保密問題。設(shè)備在使用時應(yīng)具有身份認(rèn)證環(huán)節(jié)，必要時可采用人體生理特征進(jìn)行認(rèn)證。當(dāng)認(rèn)定用戶非法時，設(shè)備應(yīng)被拒絕入網(wǎng)，能夠自行鎖定并銷毀數(shù)據(jù)，防止設(shè)備泄密。

隨著科技的不斷發(fā)展，以及制造工藝的日益進(jìn)步，可穿戴設(shè)備在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景會更加廣闊。應(yīng)用可穿戴設(shè)備的戰(zhàn)士將由普通士兵轉(zhuǎn)變成信息時代的“智兵”，其戰(zhàn)場感知能力、機動能力、防護(hù)能力與生存能力都將得到巨大提升。同時，每名士兵就像一個個信息的“觸角”，將戰(zhàn)場信息及時反饋給上級指揮員，為分析和把握戰(zhàn)場態(tài)勢、做出指揮決策等提供技術(shù)支撐。

可穿戴設(shè)備將成為單兵作戰(zhàn)能力的“倍增器”，勢必會在未來數(shù)字化戰(zhàn)場中發(fā)揮更重要的作用。

編輯/高燕燕

構(gòu)建短距無線通信網(wǎng)絡(luò)成為未來可穿戴設(shè)備通信的主流