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)的重點專利申請、重要生產(chǎn)商及其研究重點進(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動。

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。其特點包括：可以展示用戶所在的真實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動屬性高度相關(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)實或虛擬現(xiàn)實；語音控制；肢體運動感應(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)動作的同時自動觸發(fā)智能終端進(jìn)行拍照，從而實現(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動手環(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)計機(jī)構(gòu)最新數(shù)據(jù)，蘋果公司的iWatch、Gamin（佳明）運動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動傳感器來進(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趧幼髯R別的智能手表及動作識別方法，使用者可以通過手臂的抬起、晃動和移動方向?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、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)布會上發(fā)布的Airtag以及三星在更早時間發(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。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)于運動員的身體狀況管理、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）；肢體運動感應(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動鞋中增加芯片，將用戶的運動信息包括運動路徑、卡路里等進(jìn)行分析，以此實現(xiàn)對用戶運動行為的監(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或多項進(jìn)行分析，并將用戶的健康狀態(tài)上傳至遠(yuǎn)程計算機(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，能響應(yīng)外部刺激，為穿著者提供即時阻隔和保護(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，也從相對獨立的智能移動計算機(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)計提供了很大的發(fā)揮作用的空間。開發(fā)人員與用戶體驗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)備的用戶交互將會朝著代替?zhèn)鹘y(tǒng)計算設(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，也可以利用交互設(shè)計注重用戶使用模式及服務(wù)體系設(shè)計的優(yōu)勢，通過創(chuàng)新性應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計，推動可穿戴設(shè)備在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展。