張茜,鐘嘉馨

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,上海 200051;2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200051)

一、體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展背景

物物互聯(lián)是當(dāng)下智能化發(fā)展的趨勢(shì)之一,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為當(dāng)下與人們生活息息相關(guān)的信息技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括傳感技術(shù)、多設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)以及低功耗高運(yùn)算能力的數(shù)據(jù)處理技術(shù)[1]278。交互指人與數(shù)字產(chǎn)品或信息服務(wù)的交流互動(dòng)[2]231。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之間的整合離不開交互理念的滲透。智能可穿戴設(shè)備即是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展下的產(chǎn)物。因此在物聯(lián)網(wǎng)背景下,以人為本的交互理念能為智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。智能可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)用戶與產(chǎn)品的連接,要求產(chǎn)品具備感應(yīng)傳感能力、以5G為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)處理能力。在體育用品中,以交互理念為主的可穿戴技術(shù)可收集用戶的生理信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行能量收集、儲(chǔ)存以及監(jiān)測(cè),并通過電子通訊設(shè)備給專業(yè)運(yùn)動(dòng)員、熱愛健身的人群提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)反饋。

本文基于Scopus 、Sciencedirect兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,截至2022年1月,以interaction、物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)、wearable device、sports為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索。其中從Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)檢索到5篇論文,經(jīng)過初步篩選,篩選出相關(guān)性較高的2篇論文。從Sciencedirect數(shù)據(jù)庫(kù)431篇論文,在篩選論文時(shí)選擇近5年的研究性論文以及綜述共174篇,排除數(shù)據(jù)處理的云計(jì)算結(jié)構(gòu)建立以及數(shù)據(jù)隱私和安全問題,最終得到40篇論文。本文對(duì)這40篇論文進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)大多是在物聯(lián)網(wǎng)背景下提升智能可穿戴技術(shù)的技術(shù)性文章,少有針對(duì)交互理念下可穿戴技術(shù)的綜述說明。因此,本文基于調(diào)研的論文,討論在交互理念下智能可穿戴技術(shù)在體育用品中的發(fā)展重難點(diǎn)和有待提升改進(jìn)之處,旨在為可穿戴體育用品的發(fā)展提供建議。

二、體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的智能可穿戴技術(shù)

(一)在體育用品中智能可穿戴技術(shù)類型

本文通過調(diào)研國(guó)內(nèi)電商銷售平臺(tái)淘寶、天貓、京東,以及國(guó)外品牌官網(wǎng)如OMsignal、Hexoskin等,共收集到30種智能體育健身可穿戴產(chǎn)品。同時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)性能分類(表1)。調(diào)研結(jié)果顯示:心率監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)定位、步數(shù)監(jiān)測(cè)、動(dòng)作矯正以及卡路里消耗功能在體育類可穿戴產(chǎn)品中最為常見;可穿戴體育產(chǎn)品通常采用非侵入式的傳感設(shè)備監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)者的生理數(shù)據(jù)。以下對(duì)主要技術(shù)進(jìn)行分析。

表1 30款體育運(yùn)動(dòng)類智能可穿戴產(chǎn)品的技術(shù)與功能調(diào)研

表1(續(xù))

1.心率監(jiān)測(cè)技術(shù)

心率監(jiān)測(cè)技術(shù)包括心率信號(hào)的獲取、干擾信號(hào)的排除以及心率信號(hào)的呈現(xiàn)。心率能夠通過動(dòng)脈血壓、心電圖、脈搏波等信號(hào)進(jìn)行分析提取,而心電圖和脈搏波信號(hào)容易受到電信號(hào)以及機(jī)械力的干擾。為減少干擾、增加心率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)、提高運(yùn)動(dòng)員及運(yùn)動(dòng)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(yīng)混合濾波算法以提高監(jiān)測(cè)類可穿戴設(shè)備的可靠性(圖1)。同時(shí)為了減小傳感器的監(jiān)測(cè)誤差,Jiayi Zhao[4]40等人在研究可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備時(shí)進(jìn)行了心率算法實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示使用中值濾波器②后的心跳數(shù)值和實(shí)際數(shù)值的誤差在6%以內(nèi),準(zhǔn)確度更好。

圖1 自適應(yīng)混合濾波算法的應(yīng)用

在心率監(jiān)測(cè)技術(shù)方面需要考慮信號(hào)的準(zhǔn)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(wěn)定性。因?yàn)閺男穆孰娮釉慕嵌葋?lái)說,需要避免由于設(shè)備的滑動(dòng)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差;從柔性傳感的角度來(lái)說,要保證柔性材料的導(dǎo)電性能,以及洗滌后的穩(wěn)定性。

2.定位技術(shù)

追蹤技術(shù)是可穿戴設(shè)備中不可缺少的一項(xiàng)技術(shù)。追蹤技術(shù)包括光學(xué)動(dòng)作捕捉③、視覺運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)④、GPS衛(wèi)星定位等。光學(xué)和視覺等動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的捕捉準(zhǔn)確度較高,但是成本較高,并且需要復(fù)雜的運(yùn)算。從商業(yè)化的角度來(lái)看,該類追蹤技術(shù)難以融入產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。在調(diào)研的體育類產(chǎn)品中設(shè)計(jì)者常用GPS定位技術(shù)來(lái)降低成本、減少操作難度。但目前用于可穿戴設(shè)備中的GPS定位技術(shù)還存在誤差較大、無(wú)法在室內(nèi)運(yùn)行以及耗電量大等問題。因此,近年來(lái)超寬帶(Ultra wideband,UWB)定位傳感器(圖2)由于精度大并且不受室內(nèi)外條件限制而被用于體育可穿戴設(shè)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(jìn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)⑤這種人工智能模型,以提高UWB定位系統(tǒng)的準(zhǔn)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(shù)時(shí),提出將微信的定位技術(shù)和慣性輔助定位技術(shù)結(jié)合起來(lái),使衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行間斷式的工作,降低設(shè)備開啟定位模式后的能源消耗,延長(zhǎng)設(shè)備電量使用時(shí)長(zhǎng)。

圖2 UWB定位傳感器

3.步數(shù)監(jiān)測(cè)

步數(shù)監(jiān)測(cè)通常運(yùn)用在跑步、徒步等體育活動(dòng)中。智能體育用品通常使用加速度計(jì)⑥、陀螺儀⑦以及重力感應(yīng)器等對(duì)運(yùn)動(dòng)者的步數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并通過智能設(shè)備接收步數(shù)相關(guān)信息。步數(shù)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)問題在于保證計(jì)步的準(zhǔn)確性:不僅要考慮技術(shù)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)情況的讀取精度,還要考慮技術(shù)集成上的精度保證。Bastien Presset[7]45-47等人在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中測(cè)試了智能手機(jī)計(jì)步器放置在不同人體部位的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,同時(shí)比較了計(jì)步器以及智能手機(jī)計(jì)步程序的準(zhǔn)確性,對(duì)可穿戴設(shè)備的步數(shù)監(jiān)測(cè)有一定參考價(jià)值。在實(shí)驗(yàn)中計(jì)步器被放置在手臂、寬松服裝口袋以及腰帶部位。結(jié)果顯示:當(dāng)計(jì)步器緊貼身體并且在手臂位置時(shí),計(jì)步器測(cè)量數(shù)據(jù)最為精準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)證明:在低速度跑步的狀況下智能手機(jī)計(jì)步程序計(jì)數(shù)更加準(zhǔn)確;當(dāng)速度提升到6km/h時(shí),機(jī)械計(jì)步器計(jì)數(shù)更加準(zhǔn)確?？梢?在體育類可穿戴設(shè)備中,人在低速跑步時(shí)的計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性還需要提高,計(jì)步運(yùn)用范圍需擴(kuò)大。此外,也可將可穿戴設(shè)備的計(jì)步器與智能手機(jī)計(jì)步軟件進(jìn)行更好的數(shù)據(jù)配合,在一定程度上降低成本。

4.動(dòng)作矯正

動(dòng)作矯正即人體運(yùn)動(dòng)后的評(píng)估矯正,分析運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)有助于預(yù)防肌肉關(guān)節(jié)受傷。動(dòng)作矯正包括人體活動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)捕捉及采用運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)通常由慣性傳感單元組成,其中包括三軸陀螺儀、加速度計(jì)以及磁力計(jì)⑧,以校正水平航向的誤差。之后將校正前后的動(dòng)作姿勢(shì)進(jìn)行比較,使運(yùn)動(dòng)者了解運(yùn)動(dòng)過程中的不當(dāng)姿勢(shì)。這就是動(dòng)作矯正的主要流程。動(dòng)作矯正技術(shù)對(duì)準(zhǔn)確性要求相對(duì)較高。為提高精度,Matthew J.Leineweber[8]38-43等人通過光學(xué)捕捉器檢查了下肢可穿戴運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量誤差,發(fā)現(xiàn)影響動(dòng)作校正的是參考物和測(cè)量關(guān)節(jié)角度之間的恒定偏移。通過算法改進(jìn),Mattew等人將誤差縮小到5%以內(nèi),提升了捕捉的準(zhǔn)確度。矯正后的反饋和呈現(xiàn)——包括智能電子設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)或者通過矯正部位的振動(dòng)、聲音等不同感官方式的呈現(xiàn)——都要求反饋數(shù)據(jù)的及時(shí)性。因此可通過算法調(diào)整,保證數(shù)據(jù)與信號(hào)同步。在未來(lái)動(dòng)作矯正技術(shù)的發(fā)展中還可以考慮人與體育可穿戴產(chǎn)品的多感官交互,提高運(yùn)動(dòng)者對(duì)錯(cuò)誤動(dòng)作的敏感度,從而提升動(dòng)作準(zhǔn)確性。

5.能量消耗監(jiān)測(cè)

能量消耗是測(cè)量人體活動(dòng)水平的重要指標(biāo)。測(cè)量能量消耗最為準(zhǔn)確的工具包括直接熱量計(jì)⑨、間接熱量計(jì)⑩以及雙標(biāo)水?。然而受到成本和測(cè)試方式限制,這類測(cè)量方式難以在可穿戴設(shè)備中使用。市面上的可穿戴設(shè)備常用三軸加速度傳感器搭配算法進(jìn)行能量消耗估算。在追蹤人體運(yùn)動(dòng)、評(píng)估能量消耗的過程中,此類傳感器需要一直運(yùn)行,因此設(shè)備的續(xù)航能力較低。目前監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)的自供電可穿戴設(shè)備可以解決可穿戴設(shè)備電池續(xù)航問題。動(dòng)能收集技術(shù)能將人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,并在能量獲取的過程中分析人體活動(dòng)信息以達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。Ling Xiao等人[9]1-14評(píng)估了能量收集器在不同強(qiáng)度下人體的活動(dòng)數(shù)據(jù),指出可以采用活動(dòng)強(qiáng)度分類和回歸模型實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的能量消耗監(jiān)測(cè)。能量收集器在保證數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的同時(shí)發(fā)展可持續(xù)的電池技術(shù),是未來(lái)體育可穿戴設(shè)備的發(fā)展方向。但目前能量收集的方式主要還處在實(shí)驗(yàn)階段,未來(lái)商業(yè)化的過程中還需要考慮技術(shù)實(shí)現(xiàn)問題,增強(qiáng)技術(shù)可復(fù)制性。

在體育可穿戴設(shè)備中非侵入式的生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)是最為關(guān)鍵的技術(shù)。市面上的體育智能設(shè)備為增加產(chǎn)品的吸引力,滿足消費(fèi)者多方面的需求,通常將心率監(jiān)測(cè)、步數(shù)監(jiān)測(cè)等技術(shù)功能融入產(chǎn)品中。在組合各類傳感器時(shí),設(shè)計(jì)師還需要考慮整體的兼容性,通過算法分類,減少信號(hào)之間的干擾。

(二)體育用品中可穿戴技術(shù)的發(fā)展重難點(diǎn)

運(yùn)動(dòng)體育領(lǐng)域可穿戴技術(shù)的交互性主要體現(xiàn)在人體生物與物理信號(hào)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)評(píng)估以及信號(hào)反饋三個(gè)方面。從用戶的角度考慮技術(shù)的發(fā)展升級(jí),需要全過程把握交互理念,提升傳感技術(shù)的精確度、數(shù)據(jù)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)性、信息輸入和反饋的實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)健身類可穿戴設(shè)備時(shí)的信息反饋的時(shí)效性,影響用戶下一步行動(dòng)。提升傳感技術(shù)的精確度需要考慮傳感器捕捉有效信號(hào)的能力。這要求傳感器能夠監(jiān)測(cè)人體細(xì)微變化。如監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)心率和呼吸的低壓變形傳感器,通過改變壓力傳感器的結(jié)構(gòu)矩陣,使傳感器能夠精確測(cè)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(nèi)允許機(jī)械形變,實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度。此外,提升傳感精度要求信號(hào)監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。為提升連續(xù)性,Pablo Escobedo等人[11]1-7在設(shè)計(jì)一個(gè)持續(xù)監(jiān)測(cè)汗液的可穿戴腕帶時(shí),在電路板下靠近皮膚的區(qū)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(shí),Pablo Escobedo等人將傳感區(qū)域設(shè)計(jì)成直徑小于3.6mm的區(qū)域,保證長(zhǎng)時(shí)間汗液讀取。傳感器放置的位置對(duì)讀數(shù)的準(zhǔn)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(shè)備相比胸帶式設(shè)備的心率監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度更高。因?yàn)橥髱絺鞲衅鞔┐饔谒闹?所以在監(jiān)測(cè)步數(shù)時(shí)精確度大于胸戴式設(shè)備。根據(jù)不同需求,傳感器需放置于最佳位置以保證最優(yōu)性能。

2.信息輸入反饋實(shí)時(shí)性以及數(shù)據(jù)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)性

數(shù)據(jù)處理階段,包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)提取及分類。初始數(shù)據(jù)的干擾信息會(huì)在一定程度上造成輸入和反饋的延遲。數(shù)據(jù)處理首先要對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行清理分段,即濾波階段。常用的工具包括移動(dòng)平均濾波器、卡爾曼濾波器和互補(bǔ)濾波器。其次是計(jì)算提取有效信息,最后建立算法將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,主要方法包括決策樹、邏輯回歸、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、向量機(jī)等。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)分析中常用的工具[13]1-2,通過參數(shù)預(yù)設(shè)機(jī)制確保處理器對(duì)輸入信號(hào)的準(zhǔn)確判斷。針對(duì)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)類可穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)現(xiàn)狀,優(yōu)化多種生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能提升用戶的體驗(yàn)感以及用戶對(duì)產(chǎn)品的認(rèn)同度。在這種情況下,可穿戴體育設(shè)備需要一個(gè)評(píng)判該系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)處理屬于計(jì)算機(jī)信息技術(shù),運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域數(shù)據(jù)通常來(lái)源于人體大量生理、心理數(shù)據(jù)。因此要求該技術(shù)能夠在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行信息處理。同時(shí),可穿戴設(shè)備還需要建立一個(gè)由睡眠、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、體育領(lǐng)域的專家指導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)體系,以評(píng)估大量數(shù)據(jù)。如人體的心率、呼吸、能量消耗、運(yùn)動(dòng)動(dòng)作等,為用戶提供快速、準(zhǔn)確、有效的反饋信息。此外,對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理還涉及對(duì)輸入信息的評(píng)價(jià),需要通過可穿戴設(shè)備深度學(xué)習(xí),作出判斷以作出準(zhǔn)確的回應(yīng)。

3.電量維持

體育類智能可穿戴設(shè)備根據(jù)不同的使用情況,對(duì)電源、儲(chǔ)能或硬件功率消耗的要求各有不同。如戶外運(yùn)動(dòng)條件下智能設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能,以滿足產(chǎn)品的遠(yuǎn)程使用需求。設(shè)備的能源消耗太快會(huì)直接影響用戶的體驗(yàn)感。因此此類產(chǎn)品需要提升儲(chǔ)能性能。當(dāng)前智能設(shè)備的電源可以通過能量采集的方式進(jìn)行,如通過壓電[14]、摩擦電[15]1和生物電[16]1的方式實(shí)現(xiàn)傳感器的自供電。儲(chǔ)能可以通過超級(jí)電容器?,鋰離子電池[17]1等進(jìn)行。Libu Manjakkal等人[18]1提出一個(gè)汗液能量收集和生物電容器,有希望達(dá)到3.6mWcm-2的功率密度以供應(yīng)可穿戴設(shè)備的電量。并通過算法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的低功耗運(yùn)行,延長(zhǎng)電池壽命。

三、基于交互理念的可穿戴技術(shù)在體育用品中的體現(xiàn)

(一)人與環(huán)境信息的交互

在體育健身方面的可穿戴產(chǎn)品主要體現(xiàn)在距離監(jiān)測(cè)以及人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè),如心率、肌電反應(yīng)以及呼吸監(jiān)測(cè)。本文調(diào)研了30個(gè)體育健身可穿戴產(chǎn)品,其中人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)主要包括心率、呼吸、動(dòng)作以及能量監(jiān)測(cè)。此外還包括距離、穿戴時(shí)長(zhǎng)等環(huán)境信息獲取。人體數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)的感應(yīng)獲得并不是單獨(dú)進(jìn)行。例如采用陀螺儀測(cè)出不同人在不同情境下的步距,結(jié)合加速度計(jì)能夠計(jì)算出用戶的步數(shù)和行走距離。通過方程計(jì)算,該信息又可以計(jì)算出運(yùn)動(dòng)中的能量消耗,以實(shí)現(xiàn)人和環(huán)境數(shù)據(jù)的交互。除了人與現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互,體育類的可穿戴設(shè)備還包括人與虛擬環(huán)境的交互。Jan David Smeddincka等人[19]1-5通過結(jié)構(gòu)化問卷對(duì)比研究,證明情景鍛煉游戲獲得的虛擬獎(jiǎng)勵(lì)將會(huì)對(duì)人的健身情況產(chǎn)生正向影響。例如任天堂健身環(huán)通過壓力傳感、陀螺儀將健身、動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)量與游戲相結(jié)合,讓用戶在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)感受到游戲的樂趣,從而激發(fā)用戶運(yùn)動(dòng)健身的興趣。

(二)人與產(chǎn)品的交互

人與可穿戴產(chǎn)品的交互體現(xiàn)在整個(gè)可穿戴技術(shù)流程中。首先是產(chǎn)品讀取人的生理信號(hào)或需求,通過云計(jì)算和深度學(xué)習(xí)“理解”該信號(hào)所表達(dá)的含義,最終將數(shù)據(jù)以用戶的語(yǔ)言傳遞出去。在此過程中,計(jì)算機(jī)的理解能力即數(shù)據(jù)處理能力至關(guān)重要。Eglé等人[20]20-24提出了一個(gè)復(fù)雜的疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和評(píng)估平臺(tái)。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(jiān)測(cè)人體ECG信號(hào)?、腦電波頻段?等,結(jié)合運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、睡眠領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)生成邏輯規(guī)則評(píng)判用戶的疲勞程度,如圖3(a)所示。該評(píng)估系統(tǒng)包括精神疲勞和生理疲勞兩個(gè)評(píng)估組,以客觀數(shù)據(jù)和主觀評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)估。精神疲勞由眨眼頻率、大腦活動(dòng)頻率、過往睡眠障礙、精神活動(dòng)進(jìn)行評(píng)定測(cè)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(dòng),如圖3(b)所示。生理疲勞由中樞神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)、心臟恢復(fù)時(shí)間、神經(jīng)系統(tǒng)平衡、肌肉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)等指標(biāo)測(cè)評(píng)。最終通過不同模塊藍(lán)牙反饋在智能手機(jī)上,用戶可以及時(shí)了解身體疲勞狀態(tài),作出適當(dāng)調(diào)整。這一疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過多模塊傳感和計(jì)算機(jī)運(yùn)算技術(shù)體現(xiàn)人與智能可穿戴產(chǎn)品之間的交互。

圖3 疲勞評(píng)估與監(jiān)測(cè)系

(三)人與人的交互

可穿戴技術(shù)不僅體現(xiàn)在單個(gè)人與環(huán)境和產(chǎn)品的交互,還體現(xiàn)在人與人之間的協(xié)同交互。例如在戶外運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)員既需要個(gè)人生理和情緒的調(diào)整,也需要協(xié)同配合。由此可見,可穿戴設(shè)備同樣需要考慮運(yùn)動(dòng)的社交屬性。Matthew Louis Mauriello 等人[21]2833-2835提出了一種用于團(tuán)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(shè)計(jì)可以向一組跑步者顯示智能設(shè)備穿戴者的平均速度、跑步持續(xù)時(shí)間以及距離。Erogear的柔性LED顯示屏位于運(yùn)動(dòng)服的背部,如圖4(b)所示。顯示屏與手機(jī)藍(lán)牙連接,通過手機(jī)中的運(yùn)動(dòng)追蹤軟件將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊FF硬件系統(tǒng)。由領(lǐng)跑的幾位隊(duì)員穿著該隊(duì)服裝,隊(duì)友能夠通過呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)及時(shí)了解隊(duì)伍的跑步情況,增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及運(yùn)動(dòng)積極性。同時(shí)位于腰部的儀器還能監(jiān)測(cè)跑步者自身心率,幫助他們了解自身運(yùn)動(dòng)情況,如圖4(c)所示。在未來(lái)可穿戴設(shè)備的發(fā)展中從運(yùn)動(dòng)提示、動(dòng)作糾正的角度出發(fā),可穿戴設(shè)備的鍛煉陪伴屬性可被增強(qiáng)。

圖4 社交性運(yùn)動(dòng)柔性可穿戴設(shè)備

四、結(jié)論

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的今天,把握交互理念對(duì)于可穿戴技術(shù)的發(fā)展具有指導(dǎo)意義。本文探討了體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域可穿戴技術(shù)中融入交互理念的主要體現(xiàn)。融入交互理念的可穿戴技術(shù)體現(xiàn)出人與設(shè)備、人與人以及人與環(huán)境的連接關(guān)系,具有用戶中心的特征。智能可穿戴技術(shù)重點(diǎn)在于保證產(chǎn)品的持續(xù)性和使用性,給用戶帶來(lái)流暢的使用感和便捷的操作性。這需要考慮感應(yīng)性能的準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)分析的實(shí)時(shí)性和標(biāo)準(zhǔn)性以及設(shè)備電量的維持。在當(dāng)前研究領(lǐng)域許多成果推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,但是還需要制定一系列標(biāo)準(zhǔn),明確產(chǎn)品細(xì)節(jié),從而推動(dòng)可穿戴產(chǎn)品走向大眾。

① 光電容積描記法是一種無(wú)創(chuàng)測(cè)量人體脈搏信號(hào)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(hào)的平滑裝置而提出的,其突出特點(diǎn)是在消除脈沖噪聲的同時(shí),保護(hù)包含有效信息的單調(diào)信號(hào)的結(jié)構(gòu)。

③ 數(shù)字動(dòng)作捕捉鏡頭、Mx Giganet、校準(zhǔn)工具、采光點(diǎn)、設(shè)備專用支架、演員專用服裝Suits、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)圖形工作站、配套應(yīng)用軟件(智能數(shù)據(jù)處理軟件)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)編輯軟件。

④ 視覺動(dòng)作捕捉技術(shù)軟件需要攝像頭搭配獨(dú)特的算法推算出人體的動(dòng)作姿態(tài)。

⑤ 多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指在單計(jì)算層感知器的輸入層與輸出層之間引入隱層(隱層個(gè)數(shù)可以大于或等于1)作為輸入模式的“內(nèi)部表示”,由此計(jì)算單層感知器變成多(計(jì)算)層感知器。

⑥ 加速度計(jì)是一類利用敏感質(zhì)量的慣性力或其他方式來(lái)測(cè)量載體機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息并將其轉(zhuǎn)化為電學(xué)量進(jìn)行測(cè)量或儲(chǔ)存的慣性傳感器的統(tǒng)稱。

⑦ 陀螺儀是一種測(cè)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(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的加速度影響,所以常被安裝在高速運(yùn)動(dòng)的物體,如飛機(jī)或者導(dǎo)彈上,用來(lái)做導(dǎo)航或者精確定位。

⑧ 磁力計(jì),也叫地磁、磁感器,可用于測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向,定位設(shè)備的方位。

⑨ 對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素燃燒時(shí)所產(chǎn)生熱量的直接測(cè)定,或?qū)⑸矬w放入密閉的室內(nèi),測(cè)定散發(fā)熱量的裝置。

⑩ 測(cè)定氣體交換,根據(jù)測(cè)定結(jié)果以算出能量代謝的裝置。

? 受試者喝入定量的雙標(biāo)記水,在一定時(shí)間內(nèi)(8～15 d)連續(xù)收集尿樣,通過測(cè)定尿樣中穩(wěn)定的雙標(biāo)記同位素及消失率,計(jì)算能量消耗量。

? 超級(jí)電容器是一種基于電極/溶液界面的電化學(xué)過程的儲(chǔ)能元件,是介于蓄電池和常規(guī)電容器之間的新型儲(chǔ)能設(shè)備及器件,是一種新型綠色環(huán)保產(chǎn)品。

? 心電圖。

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