从移动到穿戴：探讨可穿戴概念、技术与应用

　　摘要： 可穿戴计算是一种新颖的计算模式，已被视为下一代计算发展的主流。将尝试与业界同仁共同探讨可穿戴计算领域的一些热点问题，如概念、技术、趋势，涉及可穿戴属性、模式，可穿戴电子，蓝领计算等，以期抛砖引玉之功效，为可穿戴研究和产业化健康发展助力。

　　可穿戴计算是目前信息领域的研究热点，最早发源于美国麻省理工学院。可穿戴研究出现过2 次热潮。1996 年7 月，美国DARPA 举办了“wearable in 2005”； 1996 年，波音公司在美国西雅图主办了第二次可穿戴计算研讨会；1997 年10月，在美国马萨诸塞州的坎布里奇， IEEE 计算机学会主办了第一届国际可穿戴计算机学术会议（ ISWC） 。这三次会议代表了第一波可穿戴计算研究热潮，刚好与互联网热潮同期，以突出研究为特征。2012 年，谷歌推出智能眼镜，其引爆的可穿戴计算（ 或智能穿戴） 热点触发了第二波全球可穿戴技术热潮。2014 年初，在美国举行的国际消费性电子展览会（ CES） 则进一步将可穿戴计算热推向高潮，业界对于可穿戴技术的研究更加丰富，各式可穿戴产品层出不穷，井喷一样地冲击到IT 产业和应用的各个领域。自此，可穿戴技术相关的研发、产品、产业、会展、论坛的热浪不断袭来。

　　1 概念

　　由Google 引发的第二次可穿戴计算技术研究热潮源自企业和市场。和其他热点研究领域不同，该研究热潮并非由学科专家发起，而是由企业和市场发起。目前普遍存在对可穿戴计算认识不到位的情况，对其定位和实际意义认识不足，容易导致跟风研究的情况。可穿戴计算的发展同计算的发展息息相关，而从人类的发展可以看到计算的发展。

　　人类发展的一个最重要的标志性事件是人的直立。人的直立是由于使用工具，这是对人类发展最大的促进因素。当今时代，手机正在突破传统模式向更加智能化方向发展。由于手机、互联网的应用，使人“趴”下去，而可穿戴计算使人再次“直立”。从使人第二次直立的工具的角度来认识可穿戴计算，它就代表人类的第二次进化。这是一个了不起的事情（ 图1） 。

　　

　　图1 可穿戴使人二次“直立”

　　为什么谈到人的第二次进化？ 这就要谈到人们一直担忧的一个问题： 机器人会不会战胜生物人，人工智能可能会超过人的智能吗？ 如何认识人类的第二次发展和可穿戴的地位？可穿戴计算定义： 可穿戴计算是“以人为本，人机合一”这一理念的必然产物，在这种计算模式下衍生出一类可穿戴、个性化、多样性、新形态的个人移动计算终端（ 智能眼镜、目镜、手镯、手表、腰包、腰带、鞋和服装） 。可穿戴计算（ wearable computing） 模式强调以自然的穿戴形式提供计算功能，弱化机器的概念。它首先体现了以人为本，即“围着人转”的思想； 其次是人与机器融为一体，人机合一。它同时体现了为人服务，以人为中心的研究思路，代表了未来研究的方向。

　　著名的Steve Mann 认为，可穿戴计算应具有3种使用模式和6 个属性定义：

　　1） 使用模式： 持续辅助（ constant assistant） ；增强（ augmenttation） ； 介入（ mediation） 。2） 属性： 非独占性（ unmonopolizing） ； 无束缚性（ unrestrictive ） ； 可观性（ observable ） ； 可控性（ controllable） ； 主动关注（ attentive proactively） ； 表达交流能力（ communicative） 。

　　从生物人和机器人角度来划分，可穿戴促成的是混合人（ 即人－ 机人） 。可穿戴计算带来了人－机关系的变革，促成了人－ 机紧密结合（ inextricably intertwined） 与协同（ synergy） 的新型关系，这是一种“人－ 机共生（ symbiosis） ”的形式，最终将向“电子人”（ cyborg，一种人机混合体） 演进。可穿戴计算促成的“人机协同”与“增强”计算模式可实现对用户自然、持续的感知与增强。

　　目前人工智能领域的研究尚未跳出一个框架，即模仿人类大脑工作。实际上，另一类智能不一定要模仿大脑，因为人的智能是有限的，人的感知是有限的，人的体能也是有限的。如果从计算的角度来发展一种智能，那么仿人只是其中一条途径（ 即artificial intelligence） 。可穿戴计算技术对此的解决思路是从“模仿人类”（ simulation） 的方式转变为“增强人类”（ augmentation） 。这种“增强智能”（ augmented intelligence） 是人类智能和机器智能的混合物，比如大家熟悉的钢铁侠。钢铁侠把人“包裹”住，使人具有机器的智能、体能和感能。Augmentation 从提升人的智能、体能和感能3种能力来研究可穿戴计算，是未来颠覆性的革新技术。

　　2 研究趋势

　　随着芯片和传感器的超微型化、轻量化、廉价化，可穿戴计算的普及逐渐成为可能。移动计算正在从口袋和手持转向手腕、手指、头部、腰部和脚部的穿戴，见图2。可穿戴产品在眼部、头部、手部、脚步、腰部的示例见图3。

　　

　　图2 可穿戴在人体的分布

　　

　　图3 可穿戴产品示例

　　可穿戴计算不能称为设备，这是倡导的一种观点。之所以说可穿戴计算不该笼统称为设备，理由大致如下：

　　1） 形态上不是设备。可穿戴产品在形态上是普通的饰物、衣物、鞋帽，而设备通常形态较大，需要由人手动操作。

　　2） 理念上不是设备。可穿戴追求的是设备和机器从我们的视线中消失，它编入了我们的鞋子、衣服、眼镜、首饰，融入衣物和饰物之中，追求电子元件隐蔽性（ unobtrusive） 。在操作方面，它解放我们的双手（ hand-free） ，追求自然交互，而不是操作设备。

　　3） 定义上不是设备。设备（ equipment） 的定义为“通常是一群中、大型的机具器材集合体，皆无法拿在手上操作而必须有固定的台座，使用电源之类动力运作而非人力”。

　　4） 在英文术语中，可穿戴没有“设备”一词（ smart device，smart gadget，smart jewelry，smart glass， smart shoe，smart accessories） 。形态较大的可穿戴产品称为device （ 小型装备） ，但不称为equipment（ 设备） 。

　　3 可穿戴计算技术的一些常见应用

　　自20 世纪90 年代中后期，可穿戴计算逐渐走出实验室阶段，被广泛推广应用到加工制造、生产监控、维护保障、物流后勤、作战侦察、反恐安全、医疗助残、消费娱乐等领域中。近年来，新的的研究成果不断涌现，一些常见应用概括起来主要集中于下面的典型应用领域。

　　3．1 电子织物

　　从移动到穿戴，涉及的不止是眼镜和手表。以可穿戴的衣物为例，今后它在形态上就是普通的衣物，例如一条裙子，一件衬衫。电子织物（ e －textile） 是织有或者植入电子功能组件、模块互联和电源等器件的智能布块，被认为是实现普适计算的一种理想平台，也是物联网的一种使能器件。在织物的过程中，传感器是织进去的，其良好的电气性能和织物所具有的柔性、透明、轻量级的特点，代表了今后电子织物的发展趋势。电子织物带来的技术颠覆在于电路形态的改变。原来的硬件印制电路板转变为今后的电路是织出来或者在衣物上印出来，从原来的立体电路转化为二维的平面电路。电子织物中新的电路形态、电路工艺和电路技术是今后研究的主要方向。

　　当前主要有3 种典型的可穿戴织物设计与制作方法： 第1 种是柔性丝网印刷法； 第2 种是编织和针织，即将导电、传感和绝缘纤维或丝线通过编织直接形成传感器，真正实现传感器的嵌入； 第3种是缝合，利用导电防线将电路板或传感器缝合在衣物上。

　　3．2 蓝领计算

　　由于行业的特殊性质，某些制造业在特定环境下无法使用机器人，工作必须由工人手工操作完成。未来的几十年内，人类的介入仍然不可避免。在这种情况下，研究如何在工业中使用可穿戴计算具有重要意义。同样，在战场、考古、野外勘探、手术医疗等领域可穿戴也将会有广泛的应用，因此德国人提出了蓝领计算的概念。

　　蓝领计算（ blue collar computing） 是一种崭新的现场作业任务信息支撑模式，它强调用户在工作空间中关注于任务时（ 特别是Intense time critical work） 和在日常生活空间内（ daily life space） 进行活动时，能得到信息空间（ cyber space） 的自然、有效和多人协作（ group collaboration） 的支持。典型的应用包括数字化士兵系统、特殊场合下的维修与安装作业、行为监测与健康保护系统和诊疗辅助系统等。

　　在蓝领计算方面，知晓车间（ aware workshop）是一种新的工业企业现场信息基础环境模式。作为现场设备维护类工程技术人员的作业辅助，在知晓车间中，设备被赋予灵性，能实现环境感知、设备感知、人体感知，进而三者交互。

　　

　　图4 知晓车间中的可穿戴作业辅助系统

　　4 结束语

　　美国微软公司在《人类的本质： 2020 年的人机交互》报告中指出： “计算机和人类之间的生理界限将变得模糊……目前存在于人机界面之间牢固的界限正在消失，这种界面会离我们越来越近，电子装置将融入我们的衣服甚至身体”。随着研究的深入，业界对可穿戴计算提出了各种挑战性的科学问题，其广泛和深入的应用需要在理论和关键技术方面有新的突破。当前，颠覆正在发生，智能可穿戴正在进入主流，必将冲击传统计算模式和挑战现有IT 产业格局，促进新兴战略产业方向的形成。