現在&未來智能可穿戴設備

王少然 劉成

智能可穿戴設備一般是指穿戴在人身上、具備智能特性的設備的總稱，也可認為是集成微型計算機、通信、感知等裝置，為用戶提供個性化服務，可穿戴于身上的微型電子設備。

通過智能可穿戴設備，可以更好地感知外部與自身信息，能夠在計算機、網絡甚至其他人的輔助下更為高效地處理信息，以及更好地實現無縫交流。目前，智能可穿戴設備主要包括智能眼鏡、智能手表、智能手套、智能服裝及鞋、智能首飾等。隨著技術進步以及用戶需求，智能可穿戴設備的形態與應用熱點也在不斷變化。

智能可穿戴設備作為前衛風潮，已引起各界特別是軍事部門的高度重視。

縱觀當下智能可穿戴設備，其主要呈現以下特點：

使用便捷，體驗性強 可穿戴，佩用性強，使用操作極具人性化，不需刻意思考如何操作，方便體驗。

技術先進，智能高效 擁有先進的電路系統，無線聯網，具有極強的處理能力。使用標準操作系統具有全功能計算、視頻圖像捕獲和傳輸、多種語言通話、全球定位系統等功能。

智能可穿戴設備除了應用于民用和工業領域，在軍事領域也具有較好的應用前景。士兵可以將該類設備像作戰服一樣穿在身上，在作戰過程中方便快捷地處理各種信息。

軍用智能可穿戴設備包括安裝在士兵肩部的全球定位系統，連接到士兵胸部的計算機、視頻攝像機以及多種傳感器等。該類設備具有導航功能，也可以為士兵提供態勢信息，幫助士兵辨別敵友，并且具備為士兵提供應對危險情況決策幫助的能力。借助該類設備，士兵在戰場上不用動手就能接收信息，同時還能保持對目標的瞄準。

某些智能可穿戴設備可以作為單兵裝備單獨進行應用，如定位裝置、夜視眼鏡等，但大部分智能可穿戴設備需要與其他信息裝備進行交互，以融合形成一個整體，進而為士兵提供多種服務。

單兵綜合作戰系統就是集成多種穿戴式設備的新型裝備，單兵綜合作戰系統中的單兵電臺、單兵計算機、頭盔顯示器、骨導式送受話器、衛星定位模塊等都是穿戴式設備，隨著智能可穿戴設備的發展與成熟，單兵綜合作戰系統的功能也將不斷豐富。

穿戴式技術在國際計算機學術界和工業界一直備受關注，但由于成本高、技術復雜，很多設備僅停留在概念領域。隨著移動互聯網的發展、技術的進步和高性能低功耗處理芯片的推出，部分設備已走向商用化。譬如谷歌、蘋果、微軟、索尼、奧林巴斯、摩托羅拉等諸多科技公司已開始在這個全新領域深入探索，推出多款新型產品，具有一定的應用前景。

智能穿戴式設備近年來在民用市場上涌現出若干創新產品，其中以谷歌眼鏡、蘋果智能手表最具代表性。

谷歌眼鏡是GPS導航、微型投影儀、攝像頭、傳感器、存儲傳輸和操控裝置的結合體，同時具有眼鏡、智能手機、網頁瀏覽等功能，可通過特殊鏡片將信息實時展現在用戶眼前。

蘋果iwatch智能手表是蘋果手機的補充，采用曲面玻璃設計，擁有通信模塊，具有調整播放清單、查看通話記錄和回復短信等功能，其采用iOS系統。

三星、華為等多家國內外公司研發的智能手環，均可跟蹤用戶的日常活動、睡眠情況及飲食習慣等，并可將數據同步傳輸至iOS、Android系統，幫助用戶了解和改善自身的健康狀況。

索尼公司開發的頭盔顯示器HMZ T1，可提供實時UDK（Unreal游戲引擎開發工具包）頭部動作跟蹤演示，由麻省理工大學開發的軟件可以免費下載。

BrainLink智能頭箍是一種頭戴式腦電波傳感器，由深圳市宏智力科技有限公司專為iOS系統配套研發。可通過藍牙無線連接手機、平板電腦、手提電腦、臺式電腦或智能電視等終端設備，配合相應的應用軟件實現意念力互動操控。Brainlink智能頭箍引用了國外先進的腦機接口技術，外觀獨特，軟件強大。

Glove One手套式手機由美國密爾沃基的布萊恩·塞拉設計，可以像手套一樣戴在手上，外形像未來機械鎧甲的一部分，按鈕位于手指關節內側，擁有SIM卡插槽和USB接口。將手擺成“六”字造型后，拇指作聽筒，小指作話筒，即可實現通話。

麻省理工學院媒體試驗室的科學家普拉納·梅斯瑞（Pranav Mistry）發明的“Sixth Sense”（第六感）系統，由可讀懂手勢的攝像頭、微型投影儀和智能手機組成，可掛在胸前使用。攝像頭拍攝圖像，手機軟件對其進行處理，結果可投影到如手、白墻、紙上，甚至其他人的衣服等地方，實現將真實與虛擬結合為一體。

微軟研究院推出的新型佩戴式多點觸控投影機，整合深度感測相機和微型投影儀等功能，可將核心內容投影到附近的任一平面，并進行點擊、滑動以及縮放操作。目前該設備略顯笨拙，但觸摸式輸入的整體效果較好。

D-Shirt運動服是法國Cityzen Sciences公司研發的高科技運動服裝，其面料嵌入的傳感器與藍牙收發器相連，可跟蹤用戶活動，并將收集的數據傳輸到智能手機中。收發器取出后，可洗滌、熨燙，運動服質量和普通T恤無區別。

谷歌智能鞋由谷歌和創意設計機構YesYesNo以及Studio 5050合作完成。該鞋內部裝配有加速器、陀螺儀等裝置，通過藍牙與智能手機進行連接，進而監測用戶的使用情況。此外，該鞋配有揚聲器，傳感器接受的信息可以語音的形式播放出來。

Orange公司推出的充電靴可利用腳部熱量進行發電。鞋內的熱敏部件由半導體材料制成，內嵌在靴底，利用腳底熱量與較冷地面的溫度差產生電力，溫差越大靴子產生的電量越大。當前，穿靴子在地面踩12個小時，為手機充電的電量約可使用1小時。

智能可穿戴設備用于軍事，有助于士兵在信息化戰爭中更為準確、快速地感知、獲取、利用和分發信息，最終實現信息制勝。盡管目前軍用智能可穿戴裝備處于研發初期，但一些國家的軍事部門已經充分認識到了其軍事應用的優勢。

Q-Warrior頭盔顯示系統由美國國防高級研究計劃局（DARPA）為步兵研制設計，該裝置可附著在頭盔上，其顯示屏置于前方，結構簡單，但體積比谷歌眼鏡或類似產品大，像戰斗飛行員用的平視顯示器。該系統的顯示儀分辨率高，可提供戰場數據和信息。該系統強化了夜視功能、導航和路線標注功能，可提升士兵對戰場的感知能力，可對士兵面臨的潛在威脅和危險進行提醒，可通過作戰分隊內部共享的信息分辨人質和敵人，或跟蹤敵人行跡。未來，該系統將與智能武器集成，屏幕可顯示士兵健康狀況、前進方向、彈藥量等信息。其有望作為美陸軍2013年5月公布的尚處于研制階段的“戰術突襲輕型作戰套件”項目的一部分進行部署應用。

AWIS陸軍全球軍事指揮控制系統是一種智能頭盔，裝備美軍特種部隊士兵和陸軍CH-47、UH-60等直升機乘員。今后，該系統將主要為網絡數字化戰場指揮官提供多方面的信息。直升機飛行員利用該系統，可以指揮地面部隊行動。駐阿富汗美軍即是通過該系統與美軍駐阿富汗部隊最高指揮官戴維·彼得雷烏斯進行直接通話。

“耳朵”單兵槍聲定位系統于2011年裝備美國陸軍駐阿富汗部隊。該系統由奎奈蒂克北美公司研發，計劃裝備陸軍快速裝備部隊（REF）及包括班、排在內的所有作戰單位，同時與美軍士兵系統等其他項目集成。該系統由4個聲學傳感器和顯示器組成，傳感器組件僅有一副撲克牌大小，佩戴在士兵右肩，可對敵方射擊產生的超聲波進行探測，顯示器則安裝在士兵防彈衣上。該裝置體積小、質量輕，可瞬間顯示出敵方射擊的方向和距離，從而幫助徒步士兵獲得全面的態勢感知。

國外正在研制一種新型雷達頭盔，通過運動傳感器，可探測到煙霧中或者水泥墻后的敵人，探測半徑為25m，質量不超過1.1kg，約一半質量附著在頭盔上。

M-25燃料電池是一種使用甲醇燃料的可穿戴電源，由杜邦和德國SFC智能燃料電池公司研制，這種電池比傳統電池輕80%，卻能夠提供至少72小時的持續供電。M-25能持續提供最低20W、最高200W的電能，比美軍現在的供電設備性能高3倍。在充電站數量稀少的惡劣環境下，這些電池能夠保證導航和通信系統持續數天正常工作。

智能穿戴設備雖然市場前景看好，但仍然有低功耗、系統集成、多傳感器、人機交互、高效能源等技術瓶頸需要突破。

低功耗技術 智能可穿戴設備的軟件和硬件都要面向低功耗設計。一是硬件平臺設計，主要立足于嵌入式技術和低功耗微控制（MCU）技術，采用低功耗芯片，并選擇定制人機交互技術支撐;二是操作系統設計，依托成熟的嵌入式操作系統，對其功能進行裁剪，滿足戰術需要即可。

系統集成技術 主要體現在模塊集成和功能集成兩方面。模塊集成主要采用先進的封裝技術，通過系統級封裝（SIP）微型化技術，將穿戴式設備元件整合到極小的單一封裝中。功能集成主要依托低功耗的無線體域網技術實現功能的合理配置和設備的互聯互通互操作。

多傳感器技術 主要集成運動傳感、生物傳感、環境傳感等裝置。運動傳感技術包括加速度傳感器、陀螺儀、電磁傳感器、大氣傳感器等，實現運動探測、導航、人機交互功能，進而達到測量、記錄和分析人體活動的效果。生物傳感技術主要采用血壓傳感器、心電傳感器、肌電傳感器、體溫傳感器、腦電波傳感器，實現人體生理機能參數測定，評估士兵作戰狀態，為支援保障提供數據支撐。環境傳感技術主要采用溫濕度傳感器、氣壓傳感器、紫外線傳感器、麥克風、圖像視頻采集設備等，對戰場環境實時感知。

人機交互技術 主要包括顯示、手勢控制、語音控制、人臉識別等技術。顯示技術多采用智能眼鏡的LcoS（硅基液晶）、智能手表的OLED顯示、電子墨水、融合背景光和微投影等途徑實現。手勢控制技術一般包括觸控、手勢識別和手套控制等，未來實現通過虛擬視圖的控制。

高效能源技術 主要包括高能量密度電池技術、可續航電池技術、快速充電技術以及無線充電技術。高能量密度電池技術需結合小型化和輕量化的需求，綜合權衡電池的能量、體積、質量三者之間的關系。可續航電池技術應在柔性太陽能電池、體溫感應微發電、人體運動微發電等技術上取得突破。

智能可穿戴設備應用于軍事領域的前景較好，能夠大幅提高士兵作戰的信息化水平，但目前來看尚有幾個問題需要關注。

可穿戴設備的技術難點不僅體現在集成化、智能化要求方面，其配套的創新材料、圖形設計、傳感與無線傳輸技術、電池技術等都是制約因素，尤以電池技術最為關鍵，沒有足夠長的電力續航能力直接影響用戶體驗。如果應用于軍事領域，還將增加環境適應性、電磁兼容性、戰術適應性等一系列技術難點。

智能可穿戴設備的使用對象是單兵，形成產品后裝備數量將會極大，具有較高的性價比是大規模推廣應用的前提。而相比較其他武器裝備，智能可穿戴設備集成度高，感應設備多，電池技術先進，成本自然不會低，就目前民用的智能眼鏡、智能手表而言，價格少則幾千，多則上萬。而軍用產品各方面要求更高，價格遠遠超過民品，因此經濟性將成為其推廣應用的重要制約因素。

目前民用市場上的智能手表和智能眼鏡在體積、質量上還未能達到普通手表和眼鏡的水平，應用于軍事領域后體積、質量還將進一步增加，沒有較好的舒適便捷性能，很難得到部隊認可。再者，多數智能可穿戴設備必須跟其他裝備（如單兵計算機）交互，甚至需要接入作戰信息網絡，但哪些信息應該顯示在可穿戴設備上，多種信息、功能在各個設備上如何分配，多個設備如何切換使用等一系列問題尚未統一認識，軍事需求的清晰構筑有待明確。