從移動(dòng)到穿戴：探討可穿戴概念、技術(shù)與應(yīng)用 - 全文

　　摘要： 可穿戴計(jì)算是一種新穎的計(jì)算模式，已被視為下一代計(jì)算發(fā)展的主流。將嘗試與業(yè)界同仁共同探討可穿戴計(jì)算領(lǐng)域的一些熱點(diǎn)問(wèn)題，如概念、技術(shù)、趨勢(shì)，涉及可穿戴屬性、模式，可穿戴電子，藍(lán)領(lǐng)計(jì)算等，以期拋磚引玉之功效，為可穿戴研究和產(chǎn)業(yè)化健康發(fā)展助力。

　　可穿戴計(jì)算是目前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，最早發(fā)源于美國(guó)麻省理工學(xué)院?？纱┐餮芯砍霈F(xiàn)過(guò)2 次熱潮。1996 年7 月，美國(guó)DARPA 舉辦了“wearable in 2005”； 1996 年，波音公司在美國(guó)西雅圖主辦了第二次可穿戴計(jì)算研討會(huì)；1997 年10月，在美國(guó)馬薩諸塞州的坎布里奇， IEEE 計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)主辦了第一屆國(guó)際可穿戴計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議（ ISWC） 。這三次會(huì)議代表了第一波可穿戴計(jì)算研究熱潮，剛好與互聯(lián)網(wǎng)熱潮同期，以突出研究為特征。2012 年，谷歌推出智能眼鏡，其引爆的可穿戴計(jì)算（ 或智能穿戴） 熱點(diǎn)觸發(fā)了第二波全球可穿戴技術(shù)熱潮。2014 年初，在美國(guó)舉行的國(guó)際消費(fèi)性電子展覽會(huì)（ CES） 則進(jìn)一步將可穿戴計(jì)算熱推向高潮，業(yè)界對(duì)于可穿戴技術(shù)的研究更加豐富，各式可穿戴產(chǎn)品層出不窮，井噴一樣地沖擊到IT 產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。自此，可穿戴技術(shù)相關(guān)的研發(fā)、產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)、會(huì)展、論壇的熱浪不斷襲來(lái)。

　　1 概念

　　由Google 引發(fā)的第二次可穿戴計(jì)算技術(shù)研究熱潮源自企業(yè)和市場(chǎng)。和其他熱點(diǎn)研究領(lǐng)域不同，該研究熱潮并非由學(xué)科專(zhuān)家發(fā)起，而是由企業(yè)和市場(chǎng)發(fā)起。目前普遍存在對(duì)可穿戴計(jì)算認(rèn)識(shí)不到位的情況，對(duì)其定位和實(shí)際意義認(rèn)識(shí)不足，容易導(dǎo)致跟風(fēng)研究的情況?？纱┐饔?jì)算的發(fā)展同計(jì)算的發(fā)展息息相關(guān)，而從人類(lèi)的發(fā)展可以看到計(jì)算的發(fā)展。

　　人類(lèi)發(fā)展的一個(gè)最重要的標(biāo)志性事件是人的直立。人的直立是由于使用工具，這是對(duì)人類(lèi)發(fā)展最大的促進(jìn)因素。當(dāng)今時(shí)代，手機(jī)正在突破傳統(tǒng)模式向更加智能化方向發(fā)展。由于手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，使人“趴”下去，而可穿戴計(jì)算使人再次“直立”。從使人第二次直立的工具的角度來(lái)認(rèn)識(shí)可穿戴計(jì)算，它就代表人類(lèi)的第二次進(jìn)化。這是一個(gè)了不起的事情（ 圖1） 。

　　圖1 可穿戴使人二次“直立”

　　為什么談到人的第二次進(jìn)化？ 這就要談到人們一直擔(dān)憂(yōu)的一個(gè)問(wèn)題： 機(jī)器人會(huì)不會(huì)戰(zhàn)勝生物人，人工智能可能會(huì)超過(guò)人的智能嗎？ 如何認(rèn)識(shí)人類(lèi)的第二次發(fā)展和可穿戴的地位？可穿戴計(jì)算定義： 可穿戴計(jì)算是“以人為本，人機(jī)合一”這一理念的必然產(chǎn)物，在這種計(jì)算模式下衍生出一類(lèi)可穿戴、個(gè)性化、多樣性、新形態(tài)的個(gè)人移動(dòng)計(jì)算終端（ 智能眼鏡、目鏡、手鐲、手表、腰包、腰帶、鞋和服裝） ?？纱┐饔?jì)算（ wearable computing） 模式強(qiáng)調(diào)以自然的穿戴形式提供計(jì)算功能，弱化機(jī)器的概念。它首先體現(xiàn)了以人為本，即“圍著人轉(zhuǎn)”的思想； 其次是人與機(jī)器融為一體，人機(jī)合一。它同時(shí)體現(xiàn)了為人服務(wù)，以人為中心的研究思路，代表了未來(lái)研究的方向。

　　著名的Steve Mann 認(rèn)為，可穿戴計(jì)算應(yīng)具有3種使用模式和6 個(gè)屬性定義：

　　1） 使用模式： 持續(xù)輔助（ constant assistant） ；增強(qiáng)（ augmenttation） ； 介入（ mediation） 。2） 屬性： 非獨(dú)占性（ unmonopolizing） ； 無(wú)束縛性（ unrestrictive ） ； 可觀性（ observable ） ； 可控性（ controllable） ； 主動(dòng)關(guān)注（ attentive proactively） ； 表達(dá)交流能力（ communicative） 。

　　從生物人和機(jī)器人角度來(lái)劃分，可穿戴促成的是混合人（ 即人－ 機(jī)人） ?？纱┐饔?jì)算帶來(lái)了人－機(jī)關(guān)系的變革，促成了人－ 機(jī)緊密結(jié)合（ inextricably intertwined） 與協(xié)同（ synergy） 的新型關(guān)系，這是一種“人－ 機(jī)共生（ symbiosis） ”的形式，最終將向“電子人”（ cyborg，一種人機(jī)混合體） 演進(jìn)?？纱┐饔?jì)算促成的“人機(jī)協(xié)同”與“增強(qiáng)”計(jì)算模式可實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)自然、持續(xù)的感知與增強(qiáng)。

　　目前人工智能領(lǐng)域的研究尚未跳出一個(gè)框架，即模仿人類(lèi)大腦工作。實(shí)際上，另一類(lèi)智能不一定要模仿大腦，因?yàn)槿说闹悄苁怯邢薜?，人的感知是有限的，人的體能也是有限的。如果從計(jì)算的角度來(lái)發(fā)展一種智能，那么仿人只是其中一條途徑（ 即artificial intelligence） 。可穿戴計(jì)算技術(shù)對(duì)此的解決思路是從“模仿人類(lèi)”（ simulation） 的方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸鰪?qiáng)人類(lèi)”（ augmentation） 。這種“增強(qiáng)智能”（ augmented intelligence） 是人類(lèi)智能和機(jī)器智能的混合物，比如大家熟悉的鋼鐵俠。鋼鐵俠把人“包裹”住，使人具有機(jī)器的智能、體能和感能。Augmentation 從提升人的智能、體能和感能3種能力來(lái)研究可穿戴計(jì)算，是未來(lái)顛覆性的革新技術(shù)。

　　2 研究趨勢(shì)

　　隨著芯片和傳感器的超微型化、輕量化、廉價(jià)化，可穿戴計(jì)算的普及逐漸成為可能。移動(dòng)計(jì)算正在從口袋和手持轉(zhuǎn)向手腕、手指、頭部、腰部和腳部的穿戴，見(jiàn)圖2。可穿戴產(chǎn)品在眼部、頭部、手部、腳步、腰部的示例見(jiàn)圖3。

　　圖2 可穿戴在人體的分布

　　圖3 可穿戴產(chǎn)品示例

　　可穿戴計(jì)算不能稱(chēng)為設(shè)備，這是倡導(dǎo)的一種觀點(diǎn)。之所以說(shuō)可穿戴計(jì)算不該籠統(tǒng)稱(chēng)為設(shè)備，理由大致如下：

　　1） 形態(tài)上不是設(shè)備。可穿戴產(chǎn)品在形態(tài)上是普通的飾物、衣物、鞋帽，而設(shè)備通常形態(tài)較大，需要由人手動(dòng)操作。

　　2） 理念上不是設(shè)備。可穿戴追求的是設(shè)備和機(jī)器從我們的視線中消失，它編入了我們的鞋子、衣服、眼鏡、首飾，融入衣物和飾物之中，追求電子元件隱蔽性（ unobtrusive） 。在操作方面，它解放我們的雙手（ hand-free） ，追求自然交互，而不是操作設(shè)備。

　　3） 定義上不是設(shè)備。設(shè)備（ equipment） 的定義為“通常是一群中、大型的機(jī)具器材集合體，皆無(wú)法拿在手上操作而必須有固定的臺(tái)座，使用電源之類(lèi)動(dòng)力運(yùn)作而非人力”。

　　4） 在英文術(shù)語(yǔ)中，可穿戴沒(méi)有“設(shè)備”一詞（ smart device，smart gadget，smart jewelry，smart glass， smart shoe，smart accessories） 。形態(tài)較大的可穿戴產(chǎn)品稱(chēng)為device （ 小型裝備） ，但不稱(chēng)為equipment（ 設(shè)備） 。

　　3 可穿戴計(jì)算技術(shù)的一些常見(jiàn)應(yīng)用

　　自20 世紀(jì)90 年代中后期，可穿戴計(jì)算逐漸走出實(shí)驗(yàn)室階段，被廣泛推廣應(yīng)用到加工制造、生產(chǎn)監(jiān)控、維護(hù)保障、物流后勤、作戰(zhàn)偵察、反恐安全、醫(yī)療助殘、消費(fèi)娛樂(lè)等領(lǐng)域中。近年來(lái)，新的的研究成果不斷涌現(xiàn)，一些常見(jiàn)應(yīng)用概括起來(lái)主要集中于下面的典型應(yīng)用領(lǐng)域。

　　3．1 電子織物

　　從移動(dòng)到穿戴，涉及的不止是眼鏡和手表。以可穿戴的衣物為例，今后它在形態(tài)上就是普通的衣物，例如一條裙子，一件襯衫。電子織物（ e －textile） 是織有或者植入電子功能組件、模塊互聯(lián)和電源等器件的智能布?jí)K，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算的一種理想平臺(tái)，也是物聯(lián)網(wǎng)的一種使能器件。在織物的過(guò)程中，傳感器是織進(jìn)去的，其良好的電氣性能和織物所具有的柔性、透明、輕量級(jí)的特點(diǎn)，代表了今后電子織物的發(fā)展趨勢(shì)。電子織物帶來(lái)的技術(shù)顛覆在于電路形態(tài)的改變。原來(lái)的硬件印制電路板轉(zhuǎn)變?yōu)榻窈蟮碾娐肥强棾鰜?lái)或者在衣物上印出來(lái)，從原來(lái)的立體電路轉(zhuǎn)化為二維的平面電路。電子織物中新的電路形態(tài)、電路工藝和電路技術(shù)是今后研究的主要方向。

　　當(dāng)前主要有3 種典型的可穿戴織物設(shè)計(jì)與制作方法： 第1 種是柔性絲網(wǎng)印刷法； 第2 種是編織和針織，即將導(dǎo)電、傳感和絕緣纖維或絲線通過(guò)編織直接形成傳感器，真正實(shí)現(xiàn)傳感器的嵌入； 第3種是縫合，利用導(dǎo)電防線將電路板或傳感器縫合在衣物上。

　　3．2 藍(lán)領(lǐng)計(jì)算

　　由于行業(yè)的特殊性質(zhì)，某些制造業(yè)在特定環(huán)境下無(wú)法使用機(jī)器人，工作必須由工人手工操作完成。未來(lái)的幾十年內(nèi)，人類(lèi)的介入仍然不可避免。在這種情況下，研究如何在工業(yè)中使用可穿戴計(jì)算具有重要意義。同樣，在戰(zhàn)場(chǎng)、考古、野外勘探、手術(shù)醫(yī)療等領(lǐng)域可穿戴也將會(huì)有廣泛的應(yīng)用，因此德國(guó)人提出了藍(lán)領(lǐng)計(jì)算的概念。

　　藍(lán)領(lǐng)計(jì)算（ blue collar computing） 是一種嶄新的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)任務(wù)信息支撐模式，它強(qiáng)調(diào)用戶(hù)在工作空間中關(guān)注于任務(wù)時(shí)（ 特別是Intense time critical work） 和在日常生活空間內(nèi)（ daily life space） 進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，能得到信息空間（ cyber space） 的自然、有效和多人協(xié)作（ group collaboration） 的支持。典型的應(yīng)用包括數(shù)字化士兵系統(tǒng)、特殊場(chǎng)合下的維修與安裝作業(yè)、行為監(jiān)測(cè)與健康保護(hù)系統(tǒng)和診療輔助系統(tǒng)等。

　　在藍(lán)領(lǐng)計(jì)算方面，知曉車(chē)間（ aware workshop）是一種新的工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息基礎(chǔ)環(huán)境模式。作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)類(lèi)工程技術(shù)人員的作業(yè)輔助，在知曉車(chē)間中，設(shè)備被賦予靈性，能實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、設(shè)備感知、人體感知，進(jìn)而三者交互。

　　圖4 知曉車(chē)間中的可穿戴作業(yè)輔助系統(tǒng)

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　美國(guó)微軟公司在《人類(lèi)的本質(zhì)： 2020 年的人機(jī)交互》報(bào)告中指出： “計(jì)算機(jī)和人類(lèi)之間的生理界限將變得模糊……目前存在于人機(jī)界面之間牢固的界限正在消失，這種界面會(huì)離我們?cè)絹?lái)越近，電子裝置將融入我們的衣服甚至身體”。隨著研究的深入，業(yè)界對(duì)可穿戴計(jì)算提出了各種挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題，其廣泛和深入的應(yīng)用需要在理論和關(guān)鍵技術(shù)方面有新的突破。當(dāng)前，顛覆正在發(fā)生，智能可穿戴正在進(jìn)入主流，必將沖擊傳統(tǒng)計(jì)算模式和挑戰(zhàn)現(xiàn)有IT 產(chǎn)業(yè)格局，促進(jìn)新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)方向的形成。