可穿戴計(jì)算技術(shù)及其應(yīng)用的新發(fā)展

 摘要：可穿戴計(jì)算技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)、微電子和通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科，隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的提高這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用研究也正處于難得的機(jī)遇期。闡述了可穿戴計(jì)算區(qū)別于傳統(tǒng)計(jì)算的優(yōu)越特性及其在醫(yī)療、軍事、教育、助殘、體育、娛樂行業(yè)、老年人生活輔助方面的重要學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值，以及可穿戴計(jì)算對(duì)新一代信息與計(jì)算科學(xué)技術(shù)的巨大推動(dòng)作用。介紹了可穿戴計(jì)算技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展情況，說明現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的迫切需求使得該領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，也使得可穿戴計(jì)算技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出研究上的多學(xué)科交叉融合與產(chǎn)業(yè)化的同步跟進(jìn)相互促進(jìn)的新特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：可穿戴計(jì)算，人機(jī)交互，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)輔助，可穿戴性

0 引言

20世紀(jì)90年代后期，可穿戴計(jì)算[1]研究熱潮逐漸興起，其創(chuàng)新概念層出不窮，研究范疇也不斷擴(kuò)展，重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究成果不斷涌現(xiàn)，目前已成為國(guó)際計(jì)算領(lǐng)域重要的前沿研究方向?；仡檌Phone手機(jī)和iPad平板電腦對(duì)移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域帶來(lái)的沖擊，可以預(yù)見，可穿戴計(jì)算不僅是學(xué)術(shù)界的前瞻性研究方向，而且可能引發(fā)新一輪的技術(shù)革命，并促使移動(dòng)計(jì)算或智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重新洗牌。這給可穿戴計(jì)算前瞻研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了重大挑戰(zhàn)，同時(shí)也提供了原始創(chuàng)新和跨越發(fā)展的契機(jī)。

本文以可穿戴計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，介紹了國(guó)內(nèi)外研究工作者在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，總結(jié)了發(fā)展趨勢(shì)以及亟待解決的問題。

1 可穿戴計(jì)算技術(shù)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

作為新的計(jì)算模式，可穿戴計(jì)算的概念、隱喻、構(gòu)架、形態(tài)和功能都在不斷演進(jìn)，目前尚無(wú)較規(guī)范、明確和完備的定義。國(guó)際上公認(rèn)的可穿戴式計(jì)算機(jī)的發(fā)明人之一，加拿大的斯蒂夫·曼恩(Steve M)教授認(rèn)為可穿戴計(jì)算機(jī)是這樣一類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：“屬于用戶的個(gè)人空間(personal space)，由穿戴者控制，同時(shí)具有操作和互動(dòng)的持續(xù)性，即always on and always accessible”[2]。

可穿戴計(jì)算機(jī)的思想和雛形早在20世紀(jì)60年代就已出現(xiàn)，比較有代表性的是美國(guó)麻省理工學(xué)院學(xué)生索普(Thorp)和香農(nóng)(Shannon)等人研制的用于輪盤賭的計(jì)算機(jī)。20世紀(jì)70～80年代史蒂夫·曼(Steve M)基于Apple-II 6502型計(jì)算機(jī)研制出典型的配有頭戴顯示器、形態(tài)化的可穿戴計(jì)算機(jī)原型。

20世紀(jì)80～90年代，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，來(lái)自多倫多大學(xué)、麻省理工學(xué)院、卡耐基梅隆大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和施樂歐洲實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)出一批具有代表性的可穿戴計(jì)算機(jī)原型(如Wearable Wireless Webcam[3]，KARMA[4]，F(xiàn)orget-Me-Not[5]，VuMan I[6]等)。

1997年，麻省理工學(xué)院、卡耐基梅隆大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合舉辦了第一屆國(guó)際可穿戴計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)會(huì)議(IEEE international symposium on wearable computers，ISWC)，該國(guó)際會(huì)議自首次召開以來(lái)，每年舉行一次，已舉辦了14屆。期間美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(the defense advanced research projects agency，DARPA)以及波音公司也多次舉辦可穿戴計(jì)算機(jī)方面的研討會(huì)。從此，可穿戴計(jì)算開始得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛重視，逐漸在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。

對(duì)可穿戴計(jì)算的基礎(chǔ)研究，美國(guó)和歐盟都已投入了巨資。例如，歐盟委員會(huì)于2004年啟動(dòng)了世界上最大的單項(xiàng)民用可穿戴計(jì)算研究項(xiàng)目——wearIT@work[7]，歷時(shí)5年。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)在以人為中心的計(jì)算(human-centered computing)等專項(xiàng)中也持續(xù)地資助了一批可穿戴計(jì)算方面的研究項(xiàng)目。此外，來(lái)自軍方的大力支持也是推動(dòng)可穿戴計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展的重要力量，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局、美國(guó)陸軍通信電子司令部和美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)等都是可穿戴計(jì)算研究的重要資助者。另外美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、英國(guó)、日本和韓國(guó)的多所大學(xué)的工程學(xué)院、科學(xué)技術(shù)院等研究機(jī)構(gòu)均有專門的實(shí)驗(yàn)室或研究組專注于可穿戴計(jì)算技術(shù)的研究。中國(guó)學(xué)者也在20世紀(jì)90年代后期，開展了可穿戴計(jì)算研究，幾乎與國(guó)際可穿戴計(jì)算研究同步。

2 可穿戴計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用

伴隨著學(xué)科的發(fā)展，可穿戴計(jì)算的核心概念、系統(tǒng)基礎(chǔ)構(gòu)架、感知與交互等科學(xué)方法和技術(shù)研究問題與普適計(jì)算、以人為中心的計(jì)算(human-centered computing，HCC)、社會(huì)感知計(jì)算、信息物理系統(tǒng)(cyber-physical system，CPS)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域和前沿學(xué)術(shù)方向形成了交叉融合趨勢(shì)，如圖1所示，可能在下一代可穿戴計(jì)算研究中促成一些創(chuàng)新應(yīng)用模式的涌現(xiàn)。

2.1 藍(lán)領(lǐng)計(jì)算

可穿戴計(jì)算終端特殊的“攜帶”和“交互”方式催生出了“藍(lán)領(lǐng)計(jì)算”模式。這是一種嶄新的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息支撐模式，強(qiáng)調(diào)用戶在工作空間(work space)任務(wù)，特別是關(guān)鍵時(shí)刻工作(intense time critical work)執(zhí)行時(shí)和在生活空間(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)用包括特殊場(chǎng)合下的維修與安裝作業(yè)支撐系統(tǒng)，如圖2所示[8]，診療輔助系統(tǒng)、行為監(jiān)測(cè)與健康保護(hù)系統(tǒng)等[9]和數(shù)字化單兵系統(tǒng)。藍(lán)領(lǐng)計(jì)算也是目前可穿戴計(jì)算最獨(dú)特和成功的應(yīng)用模式之一。

圖1 可穿戴計(jì)算的學(xué)術(shù)鏈及與相關(guān)學(xué)科的交叉融合

圖2 可穿戴作業(yè)輔助系統(tǒng)

(電子科技大學(xué)移動(dòng)計(jì)算中心，2010年)

2.2 人機(jī)交互與協(xié)同

可穿戴計(jì)算突出了對(duì)人的感知和智能的增強(qiáng)，可穿戴傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近體域富傳感分布，而持續(xù)、增強(qiáng)和介入模式則可以使用戶感官通道同時(shí)關(guān)注虛實(shí)2個(gè)信息空間或者實(shí)現(xiàn)順利切換于2者之間，傳統(tǒng)的人機(jī)交互的2個(gè)基本環(huán)節(jié)，即控制信息和顯示信息的交換環(huán)節(jié)在可穿戴計(jì)算方式下出現(xiàn)了顯著變化。例如，可穿戴傳感系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)能支持高效的個(gè)人上下文感知和識(shí)別(context awareness and recognition)[10]，典型的如眼動(dòng)跟蹤[11]、位置、姿態(tài)和生理感知及手勢(shì)[12]以及情感識(shí)別等，將使控制信息交換環(huán)節(jié)以更加自然和協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行。另外，在顯示信息的交換環(huán)節(jié)，可以采用適應(yīng)柔性觸覺/觸摸顯示等多形態(tài)、異構(gòu)顯示設(shè)備特征，還可通過對(duì)顯示信息流持續(xù)的跟蹤、融合、調(diào)整等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)可穿戴計(jì)算基本模式Augmentation和Mediation的支持?？纱┐饔?jì)算可以結(jié)合感知計(jì)算和協(xié)同計(jì)算領(lǐng)域研究成果，研究新的可穿戴交互隱喻表征、范式設(shè)計(jì)和適應(yīng)度分析方法，進(jìn)而發(fā)展適合的交互技術(shù)。圖3左為加拿大皇后大學(xué)媒體實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的一款名為“PaperPhone(紙手機(jī))”的概念設(shè)備，將柔性顯示屏和柔性主板組合而成的手機(jī)變成現(xiàn)實(shí)、可穿戴投影顯示[13];圖3右上為微軟在Santa Barbara舉行的ACM研討會(huì)上演示了一種名為OmniTouch的穿戴式設(shè)備以及投影觸控互動(dòng)技術(shù)和頭戴音視覺顯示[14];圖3右下為是谷歌的一款名為Project Glass的穿戴式“眼鏡”計(jì)算產(chǎn)品。

圖3 依次為柔性觸摸顯式、可穿戴投影顯示和頭戴音視覺顯示

2.3 老年人生活輔助

可穿戴計(jì)算從誕生之日起，其目的之一便是人體局部功能增強(qiáng)與輔助，伴隨著隨著社會(huì)老齡化問題的日益突出，老年人的生活輔助特別是夠長(zhǎng)期在自己熟悉的環(huán)境中盡可能長(zhǎng)時(shí)間有尊嚴(yán)的生活，已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)際上的研究重點(diǎn)，歐盟耗資4 000多萬(wàn)歐元開展了WearIT@work[7]項(xiàng)目，于2009年結(jié)束，歷時(shí)5年，以及第七框架支持的AAL JP項(xiàng)目(總經(jīng)費(fèi)7億歐元，2008～2013年)將可穿戴計(jì)算支持的AAL(ambient assisted living)作為核心研究?jī)?nèi)容之一，在此基礎(chǔ)上典型的應(yīng)用包括智能家居[15]、老年人日?；顒?dòng)監(jiān)測(cè)及跌倒報(bào)警等。

3 可穿戴計(jì)算未來(lái)發(fā)展急需解決的問題

3.1 可穿戴計(jì)算系統(tǒng)的摩擦性、耐受性和排異性

由于人和可穿戴系統(tǒng)或裝置在物理空間上的貼近，使人更容易受到一些來(lái)自于不合理性人因設(shè)計(jì)(如尺寸、形態(tài)、重量、材料、穿戴部位)等方面的負(fù)面影響，從而引起摩擦性和耐受性問題;此外，系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的輻射、熱量、噪聲、振動(dòng)等，這也可能引發(fā)耐受性問題，造成惡劣的用戶體驗(yàn)(如clumsy和obstructive等)[16]，另外潛意識(shí)的抗拒和排斥，對(duì)于植入式電子裝置而言則存在排異性問題。這些因素使得傳統(tǒng)的基于靜態(tài)模型的人因分析[17]方法不能很好地適應(yīng)可穿戴性研究問題，需要構(gòu)建適合可穿戴計(jì)算的新形態(tài)基礎(chǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)、開發(fā)新型傳感電路材料、分析研究典型任務(wù)場(chǎng)景等動(dòng)態(tài)評(píng)估模型，以解決可穿戴計(jì)算的可用性問題。圖4所示為荷蘭Xsens Technologies公司的MVN BIOMECH系統(tǒng)，可用于穿戴性及舒適性評(píng)估。

圖4 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的可穿戴性問題及舒適性評(píng)估

3.2 人體供電模式

可穿戴計(jì)算系統(tǒng)作為一種移動(dòng)終端，電源是保障“續(xù)航能力”和可穿戴性的關(guān)鍵，目前主要采取低功耗設(shè)計(jì)及配置高性能電池等相關(guān)的供電方法。但這至今仍是一個(gè)挑戰(zhàn)性的課題，行走發(fā)電、基于衣物的太陽(yáng)能發(fā)電、基于織物的柔性平面電池等都是重要的發(fā)展方向，最近《Narure》上QIN，Y等人撰文，稱可采取一種特殊纖維織物，使得人們的日?；顒?dòng)中，纖維互相摩擦產(chǎn)生電能為便攜設(shè)備供電[18]。

3.3 可穿戴群體智能與社區(qū)

在可穿戴計(jì)算的感知增強(qiáng)、智能增強(qiáng)、體能增強(qiáng)和環(huán)境增強(qiáng)支持下，使得人能夠更加積極和理性的參與社會(huì)化組織的合作和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系中去，引發(fā)更大量和頻繁的“人—人”、“人—群組”和“群組—環(huán)境”非線性相互作用，將促進(jìn)具有典型“整體涌現(xiàn)性”、“自發(fā)性”和“自下而上”特征的可穿戴群體智能(wearable based swarm intelligent)的出現(xiàn)。因此探索該智能形式影響下新形態(tài)的社會(huì)組織方式和結(jié)構(gòu)，研究實(shí)現(xiàn)個(gè)人行為識(shí)別和挖掘、人機(jī)閉環(huán)中的信息增益策略，維護(hù)可穿戴群體智能的涌現(xiàn)性基礎(chǔ);研究基于可穿戴社區(qū)等創(chuàng)新組織結(jié)構(gòu)，構(gòu)建復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，提高復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行能力和開放環(huán)境應(yīng)對(duì)能力等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。如英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)Gerd Kortuem等人提出的可穿戴社區(qū)[19]概念等，如圖5所示。

圖5 可穿戴社區(qū)模式下的“人—人”、“人—群組”交互協(xié)同

3.4 身體傳感網(wǎng)絡(luò)及可穿戴傳感系統(tǒng)

身體傳感網(wǎng)絡(luò)與可穿戴傳感系統(tǒng)，是可穿戴計(jì)算領(lǐng)域的重要研究方向，主要支持對(duì)人的感知能力的增強(qiáng)、環(huán)境增強(qiáng)、個(gè)人參數(shù)獲取和自然人機(jī)交互，這需要從底層建立支持富傳感特征的可穿戴計(jì)算體系構(gòu)架和網(wǎng)絡(luò)。目前在身體傳感網(wǎng)絡(luò)(body sensor network和body area network)研究領(lǐng)域，很多研究依賴于IEEE 802.15.4/Zigbee，IEEE 802.11，Bluetooth，GPRS和ANT等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)連接感知各種人體生理和行為狀態(tài)的微節(jié)點(diǎn)，組建身體域內(nèi)(intrabody)和身體域外(out-body)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)[20]。國(guó)際BSN通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.6也正在制定中。面對(duì)生理和行為狀態(tài)感知的多源異構(gòu)傳感數(shù)據(jù)匯聚、計(jì)算處理和傳輸通信需求[21]，以及運(yùn)動(dòng)人體帶來(lái)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄22]、信道競(jìng)爭(zhēng)[23]、體內(nèi)信號(hào)衰減[24]等挑戰(zhàn)，需要探索新的身體傳感網(wǎng)絡(luò)層次體系結(jié)構(gòu)、超低功耗及高可靠組網(wǎng)通信和信息流模型方法。

另外，可穿戴計(jì)算的隱私和安全問題、可穿戴生理計(jì)算和可穿戴機(jī)器人(wearable robot)等也是當(dāng)前可穿戴計(jì)算領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向。

圍繞可穿戴計(jì)算新興方向和未來(lái)趨勢(shì)開展研究，符合《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展綱要(2006—2020)》中“前沿技術(shù)一信息技術(shù)”的發(fā)展規(guī)劃，將應(yīng)對(duì)下一代移動(dòng)無(wú)線通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、生物計(jì)算，乃至納米計(jì)算和DNA計(jì)算等相關(guān)前沿方向?qū)€(gè)人域計(jì)算系統(tǒng)和技術(shù)提出的需求和挑戰(zhàn)，為新形態(tài)和新模式移動(dòng)個(gè)人計(jì)算終端和系統(tǒng)提供支撐理論和關(guān)鍵技術(shù)，可縮小我國(guó)在可穿戴計(jì)算領(lǐng)域與世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家之間日益增大的差距，具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。

4 可穿戴計(jì)算的新發(fā)展趨勢(shì)及產(chǎn)業(yè)化前景

近年來(lái)，可穿戴計(jì)算領(lǐng)域的研究范疇不斷得到擴(kuò)展和充實(shí)，已成為國(guó)際計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)領(lǐng)域穩(wěn)定的前沿研究方向，逐步產(chǎn)生了一些重要的核心理論和關(guān)鍵技術(shù)，重要的研究成果不斷涌現(xiàn)，主要可概括為以下方面：

1)自然、和諧的新形態(tài)可穿戴計(jì)算機(jī)及人機(jī)接口。

早期可穿戴計(jì)算系統(tǒng)主要基于集中式主機(jī)和外圍交互、傳感和電源等裝置實(shí)現(xiàn)。國(guó)外Quantum，VIA，Xybernaut，Symbol等企業(yè)和美國(guó)CMU大學(xué)等先后推出了一系列采用集中式結(jié)構(gòu)的可穿戴計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，依次如圖6所示;2000年國(guó)內(nèi)也推出了可穿戴計(jì)算機(jī)樣機(jī)Netdaily I，受到包括中央電視臺(tái)在內(nèi)的國(guó)內(nèi)媒體的廣泛關(guān)注和報(bào)道。如圖7所示。

圖6 集中式可穿戴計(jì)算機(jī)主機(jī)產(chǎn)品

圖7 可穿戴計(jì)算機(jī)樣機(jī)Netdaily I(重慶大學(xué)，1999年)

在集中式主機(jī)結(jié)構(gòu)下，配備的大量傳感裝置、人機(jī)交互裝置和主機(jī)設(shè)備往往會(huì)給人員帶來(lái)舒適性和用戶體驗(yàn)方面的負(fù)面影響，不能很好與人體結(jié)構(gòu)以及日常的穿著、行為方式等相協(xié)調(diào)。對(duì)計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化劃分，針對(duì)各個(gè)模塊的具體功能以及交互控制方式，將其集成或分別嵌入到衣物、鞋帽、眼鏡、手表、手套、腰帶甚至掛飾中，實(shí)現(xiàn)各種新形態(tài)的可穿戴人機(jī)接口裝置，是近年來(lái)的熱點(diǎn)研究方向。典型的研究工作除Google公司正在開展的Project Glass項(xiàng)目之外，還包括：瑞士ETH Züirich大學(xué)的腰帶式可穿戴計(jì)算機(jī)(Q-belt-integrated-computer，QBIC)如圖8a;德國(guó)不萊梅大學(xué)AAL實(shí)驗(yàn)室用于控制輪椅運(yùn)動(dòng)的帽子，中國(guó)香港大學(xué)用于捕獲人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的鞋子[25]，如圖8b;以及歐盟可穿戴計(jì)算項(xiàng)目wearIT@work中用于制造、物流、消防、航空等領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)輔助的馬甲(wearable computerized clothing)[26]，如圖8c，等等。

圖8 腰帶、鞋子和衣物等形態(tài)的可穿戴計(jì)算裝置

2)核心材料、電路和結(jié)構(gòu)研究。

新形態(tài)可穿戴計(jì)算機(jī)及人機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)需要來(lái)自材料和結(jié)構(gòu)等方面創(chuàng)新研究成果的支持。其中：

材料方面，典型的研究成果包括：文獻(xiàn)[27]中通過可印制在織物上的電路材料實(shí)現(xiàn)的紅外通信、溫度感知和LED顯示等為實(shí)現(xiàn)潛在的“計(jì)算機(jī)衣服”提供了可能;文獻(xiàn)[28]中將熱塑彈性應(yīng)力傳感器混紡編織到織物中，則為實(shí)現(xiàn)能夠識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)的智能服裝提供了技術(shù)手段;文獻(xiàn)[29]則在紡線級(jí)詳細(xì)地討論了電路功能到衣物的大規(guī)模編織制造方法，包括傳統(tǒng)硅基電路的可編織化方法和織物總線結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法等。文獻(xiàn)[30]則討論了一種Planor-fashionable circuit board并將其應(yīng)用于老年日常生理監(jiān)測(cè)。

結(jié)構(gòu)方面，典型的研究成果包括：文獻(xiàn)[31]結(jié)合物理化學(xué)方法，提出了一種“膠體計(jì)算”模式，以其為基礎(chǔ)構(gòu)建層次化的體系結(jié)構(gòu)來(lái)支持紡線、單一傳感器和傳感簇等不同粒度計(jì)算單元的實(shí)現(xiàn)和管理;文獻(xiàn)[32]從方法學(xué)的角度出發(fā)，探討了如何基于計(jì)算產(chǎn)生熱量和人員典型姿態(tài)/行為/舒適度下的生理機(jī)能反應(yīng)等因素開展”可穿戴性(wearability)”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究;文獻(xiàn)[29]中也涉及到了編織電路的可懸垂性、受力穩(wěn)定性以及可洗性等結(jié)構(gòu)性和可用性研究。

可穿戴計(jì)算在材料、構(gòu)件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面還有許多創(chuàng)新研究，這里就不一一列舉。

3)身體傳感網(wǎng)絡(luò)與多情景(context)下的感知計(jì)算和通信。

各種創(chuàng)新材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得可穿戴計(jì)算系統(tǒng)包含的各種傳感、計(jì)算處理、通信、交互等功能得以微型化和模塊化，并以附著(attach)或植入(implant)等方式部署在人體或織物上，相互之間通過IEEE 802.15.4/Zigbee、IEEE 802.1l、Bluetooth、GPRS、ANT等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行體域內(nèi)(intra-body)和體域外(out-body)的數(shù)據(jù)通信，建立其身體傳感網(wǎng)絡(luò)(body sensor network)，其具備了良好的對(duì)人體生理、運(yùn)動(dòng)、行為等狀態(tài)以及人所處的多種變化場(chǎng)景的感知能力。BSN的專用標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.6正在制定之中。

這方面的典型研究工作包括：文獻(xiàn)[33]中基于BSN提出了“增強(qiáng)皮膚”的概念，通過空間信息感知實(shí)現(xiàn)虛擬觸覺的“Haptic Radar”原型;文獻(xiàn)[34]中提出了一種基于可穿戴計(jì)算機(jī)配置的慣性傳感和電磁跟蹤器實(shí)現(xiàn)的位置坐標(biāo)推算方法(dead reckoning)，能實(shí)現(xiàn)人員數(shù)百米移動(dòng)范圍內(nèi)誤差小于10%的位置坐標(biāo)估計(jì)，提供實(shí)時(shí)、低開銷的位置感知服務(wù)支持;美國(guó)Harvord大學(xué)CodeBlue項(xiàng)目中基于BSN微節(jié)點(diǎn)研究長(zhǎng)期低功耗的人體脈搏、血氧、心電、肌電和運(yùn)動(dòng)等傳感數(shù)據(jù)采集方法[35]，類似的老年健康BSN研究工作還包括麻省理工的帕金森癥健康服務(wù)項(xiàng)目Livenet，歐盟第五框架項(xiàng)目MobiHealth，以及微軟的HealthGear項(xiàng)目等;文獻(xiàn)[36]中結(jié)合移動(dòng)和普適計(jì)算研究中的情景感知計(jì)算研究，提出了適合可穿戴計(jì)算的情景知識(shí)分類方法(taxonomy)等。

4)融合、增強(qiáng)和介入的可穿戴人機(jī)交互和計(jì)算智能。

構(gòu)建高效的人機(jī)自然交互和協(xié)同，是提高可穿戴計(jì)算可用性的一個(gè)重要問題。而可穿戴計(jì)算的穿戴使用、持續(xù)運(yùn)作模式和以人為中心的形態(tài)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為實(shí)現(xiàn)融合、增強(qiáng)和介入等模式的自然人機(jī)交互提供了良好的支持，并可能催生新的計(jì)算智能形式。

人機(jī)交互技術(shù)和范式研究方面：文獻(xiàn)[37]開展了人員在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下基于頭戴顯示界面進(jìn)行的鼠標(biāo)拖拽任務(wù)實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了軌跡球(trackball)、觸控板(touchpad)、陀螺鼠標(biāo)(gyroscopic mouse)和單手鍵鼠(Twiddler2)等可穿戴計(jì)算機(jī)常用的交互裝置在靜止和運(yùn)動(dòng)不同狀態(tài)下的實(shí)用性能;文獻(xiàn)[38]針對(duì)以編織電路為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的單重和多重交互輸入裝置，開展了靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的輸入效率對(duì)比分析;文獻(xiàn)[39]構(gòu)建了一種適合手勢(shì)交互的人機(jī)界面;文獻(xiàn)[40]等討論了適合頭戴顯示器(HMD)輸出方式的可穿戴人機(jī)接口設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[12]中設(shè)計(jì)了一種佩戴于人體腕關(guān)節(jié)，基于壓電傳感構(gòu)建的采集人員手部運(yùn)動(dòng)時(shí)骨骼傳導(dǎo)聲音信號(hào)實(shí)現(xiàn)人員手勢(shì)識(shí)別的交互輸入裝置;文獻(xiàn)[41]使用壓力傳感電阻條(FSR)來(lái)檢測(cè)人體肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力傳感信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可穿戴的人員手勢(shì)識(shí)別裝置。

交互范式和計(jì)算智能研究方面：文獻(xiàn)[42]基于手勢(shì)識(shí)別及投影顯示技術(shù)等方面的研究成果，提出了“第六感人機(jī)交互”的可穿戴人機(jī)交互創(chuàng)新概念;Mann提出了一種新的HI(humanistic intelligence)概念，即一種初級(jí)人機(jī)協(xié)調(diào)的智能形式[10]。

可穿戴增強(qiáng)和介入現(xiàn)實(shí)交互研究方面：文獻(xiàn)[43]針對(duì)穿戴視頻傳感獲取的場(chǎng)景視頻信息，識(shí)別抽取視頻關(guān)鍵幀，結(jié)合已校準(zhǔn)的圖像特征，幫助用戶識(shí)別場(chǎng)景中的人員、設(shè)備、建筑等實(shí)體信息;文獻(xiàn)[43]實(shí)現(xiàn)了一種新的視覺增強(qiáng)模式Through-wall Collaboration;文獻(xiàn)[44]中，作者實(shí)現(xiàn)了一種魯棒的、無(wú)標(biāo)識(shí)(mark)的人員手指實(shí)時(shí)識(shí)別和跟蹤算法，并在跟蹤視頻流中重建相對(duì)于人員伸展開手掌的六自由度攝像頭姿態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了一種新的Handy AR系統(tǒng);文獻(xiàn)[44]和[45]開展了可穿戴計(jì)算視覺、可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等方面的研究工作;文獻(xiàn)[46]開展了基于頭戴顯示器的介入現(xiàn)實(shí)研究工作。

在產(chǎn)業(yè)界，歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)(EADS)、美國(guó)的NASA、波音公司、IBM研究中心、Nokia研究中心、施樂帕克研究中心(Xerox PARC)以及ViA，Sony，Panasonic，Sharp等機(jī)構(gòu)都是可穿戴計(jì)算研究的早期資助方、試用方，或者是直接參與方。例如，在歐盟委員會(huì)資助的可穿戴計(jì)算研究項(xiàng)目——WeorIT@work中，就有包括微軟、惠普、斯柯達(dá)、卡爾蔡司、西門子、歐洲航空防務(wù)及航天公司等在內(nèi)的，來(lái)自16個(gè)國(guó)家的42個(gè)單位。另外，國(guó)際上包括IBM，Sony，Nokia等IT巨頭在內(nèi)的一批企業(yè)正在醞釀成立可穿戴計(jì)算國(guó)際產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(Alliances)，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也正在制定中。而蘋果、谷歌也正在加快研發(fā)可穿戴計(jì)算產(chǎn)品。

目前，可穿戴計(jì)算技術(shù)在生產(chǎn)制造、航空、航天、物流等工業(yè)領(lǐng)域已得到成功應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，在醫(yī)療、消防、反恐、教育、助殘、體育、娛樂等行業(yè)的應(yīng)用也不斷見諸報(bào)端。這預(yù)示可穿戴計(jì)算機(jī)已被預(yù)測(cè)將在未來(lái)數(shù)年內(nèi)成為下一代(next generation)主流的，新的計(jì)算機(jī)形態(tài)之一，并通過在重要行業(yè)內(nèi)的推廣和普及，帶來(lái)每年數(shù)億至數(shù)十億美元的市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)價(jià)值[20]。鑒于此，在學(xué)術(shù)領(lǐng)域開展深入研究的同時(shí)，積極開展面向工業(yè)、教育、醫(yī)療、娛樂等行業(yè)的應(yīng)用示范和評(píng)估工作，將促進(jìn)可穿戴移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端(wearable terminal)、可穿戴消費(fèi)電子(wearable consumer electronics)、可穿戴計(jì)算應(yīng)用工程(wearable engineering)等新產(chǎn)業(yè)方向的形成和發(fā)展，加快可穿戴計(jì)算的產(chǎn)品化步伐，最終形成一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

5 結(jié)束語(yǔ)

可穿戴計(jì)算提出了新的課題與挑戰(zhàn)，拓展了計(jì)算機(jī)功能，開辟了新的計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域。這種計(jì)算模式促使我們從全新的角度審視人和計(jì)算機(jī)的關(guān)系，從而帶來(lái)人機(jī)關(guān)系的變革，促成人-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)[47]演進(jìn)。正如摩托羅拉公司的技術(shù)未來(lái)學(xué)家約瑟夫·德沃夏克(Josephl.DVORAK)博士所指出的，“20世紀(jì)90年代計(jì)算技術(shù)反映在微處理器的優(yōu)勢(shì)上，21世紀(jì)初的前十年反映在網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)上，在21世紀(jì)的第2個(gè)十年則要體現(xiàn)在人的優(yōu)勢(shì)上。在強(qiáng)調(diào)發(fā)揮人的優(yōu)勢(shì)這點(diǎn)上，可穿戴計(jì)算作為一種自然的技術(shù)定將會(huì)繁榮發(fā)展[48]?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，成本的下降，可穿戴計(jì)算系統(tǒng)將出現(xiàn)旺盛的市場(chǎng)需求，產(chǎn)生重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。