國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作天津中心 李劍煒

隨著電子設備和人工智能技術的發(fā)展，用戶交互在智能設備中的重要性與日俱增，現如今的傳統(tǒng)電子設備已經無法滿足用戶對于便攜性和功能性的需求。而更為輕便智能的可穿戴設備作為傳統(tǒng)電子設備的替代品逐漸被廣大用戶所接受。本文將從人機交互的角度對可穿戴設備的現有技術進行回顧，對該領域的各種主流技術的重點專利申請、重要生產商及其研究重點進行總結，最后展望了未來可穿戴智能電子設備的發(fā)展前景。

目前，可穿戴設備的用戶交互數據包括的采集方式有用戶的身體數據（如腦電波、心率、脈搏）、生物電數據（如靜息電位）；面部、手指、身體軀干等的行為檢測；眼部以及目光追蹤；環(huán)境數據（如溫度、濕度、海拔、空氣清潔度等）；場景適應（如熱致變色、光致變色、電致變色等）。還有例如通過肌電圖（EMG)以及結合麥克風或其他聲學傳感器來識別口腔運動。

除此之外，智能穿戴設備更期望達到的目的是使用普通電子設備時不局限于傳統(tǒng)場景、使可穿戴設備達到與普通智能終端實現同樣的功能、以及通過近距離接觸獲取身體信息達到萬物互聯等。其中，為了使智能穿戴設備達到以上功能，其需要的技術分布覆蓋了傳感器、終端互聯、集成芯片、電源控制和操作系統(tǒng)等多個方面。

可穿戴智能設備可按照穿戴方式分為頭戴式、腕帶式、攜帶式和身穿式四種類型，根據類型的不同，設備執(zhí)行不同的功能，也使用不同種類的交互方式。下面將四類設備的主要產品及交互方式進行舉例。

1 頭戴式設備

頭戴式設備最常見的有：頭盔式AR設備、眼鏡式AR設備等。其特點包括：可以展示用戶所在的真實場景與虛擬場景的融合、可利用骨傳導或耳機發(fā)送私密聲音信號、與用戶所在的空間屬性和頭頸運動屬性高度相關。頭戴式智能設備的交互方式有：耳機或骨傳導；增強現實或虛擬現實；語音控制；肢體運動感應（如陀螺儀或重力傳感器）；身體信息感應（如腦電波）等。智能眼鏡的專利申請主要集中在三星、谷歌、微軟、索尼等國外公司手中。對于引起廣泛關注的谷歌眼鏡是谷歌公司在2012年推出的，與此同時谷歌公司申請了一件用于虛擬輸入設備的方法和系統(tǒng)的相關專利，利用用戶佩戴的眼鏡將虛擬鍵盤投射到平面上，并獲取手指的位置判定將要產生的動作。此外，在2015年微軟也為其智能穿戴技術申請了涉及微型投影儀的眼鏡，用以使眼鏡佩戴者可以通過手勢進行智能控制，并配合智能指環(huán)和手表等設備共同使用。

在國外技術大潮的影響之下，國內公司也相應提出了針對智能頭戴技術的專利申請。聯想提出的專利申請中，基于用戶瞳孔位置變化確定用戶視線注視的位置，使用戶可以控制例如針對顯示的閱讀應用的翻頁、視頻應用的快進快退等，實現無需傳統(tǒng)的手指操作即可達到瀏覽多媒體的功能。小米公司提出了一種拍攝控制方法及裝置，使得智能穿戴設備檢測到用戶預設動作的同時自動觸發(fā)智能終端進行拍照，從而實現遙控拍照的功能。

而對于使用腦電波進行交互的可穿戴設備，三星公司申請的專利中根據采集用戶的腦電波，確定用戶對于注視信息的偏好程度，便于電子設備配置用戶顯示內容UI。此外，LG公司更是使用了用戶視線與手勢相結合的方式進行交互，使在不拋棄傳統(tǒng)手勢的基礎上增加了更多與可穿戴智能終端交互的功能。

2 腕帶式設備

腕帶式設備是現如今智能穿戴設備中最普及和最常見的類型，包括有智能手表和運動手環(huán)等。在現如今各廠商智能手表的推廣，以及以歐姆龍代表的醫(yī)療產品在智能手環(huán)上的應用，作為最易于實現的智能穿戴設備的腕帶式設備已經成功應用在了普通人的日常生活中。根據統(tǒng)計機構最新數據，蘋果公司的iWatch、Gamin（佳明）運動手表和華為智能手表合并的市場份額達到了接近70%。

腕帶式智能穿戴設備特點包括：可貼近式測量用戶身體參數、最接近用戶的行為習慣（利用手或肢體）、一般利用低功耗通信技術（如藍牙4.0）與手機App配合使用、作為傳統(tǒng)移動智能設備的輔助工具（如接收通知、快速設置）等等。腕帶式設備的交互方式與普通智能終端也更加相似，因此也更容易被用戶接受。

而人機交互作為智能手表未來主要的突破方向，必須要滿足更多樣化的感知和交互操作模式。從最簡單的通過手指按壓觸摸屏上的按鍵實現相應功能，到通過感測肌肉、關節(jié)、外部環(huán)境等方式進行智能穿戴設備的控制，可穿戴智能設備的用戶交互朝著更多功能更方便用戶使用的方向改變。例如LG公司申請的專利通過位置傳感器感測與預設的激活手勢相對應的位置變化，如使用終端與手表貼近或觸碰，使用戶在沒有按下輔助按鈕的情況下可以激活手表式移動終端的屏幕，達到快速配對的功能。更多的生產廠商使用了基于手臂肌肉電流檢測和運動傳感器來進行手勢識別的方案。西安電子科技大學的專利申請?zhí)岢隽嘶趧幼髯R別的智能手表及動作識別方法，使用者可以通過手臂的抬起、晃動和移動方向對設備內菜單進行控制。索尼公司的專利申請更提出了關閉觸摸傳感器，僅通過加速度傳感器來判斷用戶姿勢，進一步開啟智能設備不同功能的技術方案。

此外，智能手表較多應用于醫(yī)療健康領域，利用生物傳感器實現健康預警、病情監(jiān)控等。而借助環(huán)境傳感器采集的溫度、濕度、氣體、氣壓、紫外線等環(huán)境數據，主要用于環(huán)境監(jiān)測、天氣預報、健康提醒等。

3 攜帶式設備

與智能手環(huán)相比，智能攜帶式設備普及范圍更小，也沒有智能手環(huán)應用的廣泛。其現有代表包括：Airtag、Smarttag。例如蘋果公司在2021年春季發(fā)布會上發(fā)布的Airtag以及三星在更早時間發(fā)布的Smarttag，都是通過將物品綁定藍牙發(fā)送器已達到防丟防走失功能。而與智能防丟設備相比，耳戴式設備更具有便攜性和通用型。耳戴式設備的主要用途是通信和音頻播放，輕便、長續(xù)航、易充電等優(yōu)勢功能已成為耳戴式設備的基本特點。例如蘋果公司的Airpods系列產品，在2020年全球無線耳機市場中占據了將近一半的份額。其不但能夠實現語音控制、觸摸響應、藍牙連接等基本功能，而且在支持無線充電后，也真正實現了成為一款純無線的智能穿戴設備。

4 身穿式設備

由于獲取的數據更加精確，身穿式設備相較于其他智能穿戴設備而言，更多的應用在專業(yè)度較高的領域。例如俱樂部中關于運動員的身體狀況管理、醫(yī)院中對于病人的遠程監(jiān)控、或者極端條件下作業(yè)人員的安全監(jiān)控等方面?，F有的能夠近距離接觸到的身穿式設備包括：三星SmartSuits、UnderArmour智能跑鞋、Nike HyperAdapt Trainer等。其特點有：直接穿在身體上或與日常穿著結合、高精度獲取待測數據。相對應的交互方式包括：借助服裝材料的特殊性進行反饋（如變色、身體的壓力及觸覺反饋）；肢體運動感應（如肌肉檢測）；可貼近式測量用戶身體參數；基于特殊服裝材料，實現防護、偽裝、提升身體性能等功能。

例如耐克公司申請的專利提出的通過在運動鞋中增加芯片，將用戶的運動信息包括運動路徑、卡路里等進行分析，以此實現對用戶運動行為的監(jiān)測。索尼公司申請的專利提出的智能可穿戴設備可以根據傳感器收集用戶生物特征中的一項或多項進行分析，并將用戶的健康狀態(tài)上傳至遠程計算機進行評估。以及可嵌入人體內部仿生性能的智能服裝，可提高人體機能的柔性外骨骼、適用于各種環(huán)境參數的主動式熱管理皮膚衣等。更多的，身穿式設備可以應用于軍事領域，在作戰(zhàn)中可以根據采集到的環(huán)境信息智能調整防護手段，如熱致變色、光致變色、電致變色，以幫助作戰(zhàn)人員躲避紅外、雷達追蹤；智能識別環(huán)境屬性，在識別到有害化學物時，能響應外部刺激，為穿著者提供即時阻隔和保護。

隨著高分辨率顯示設備、柔性屏幕、微型處理器、多功能傳感器等技術的飛速發(fā)展，智能穿戴設備從概念走向市場，也從相對獨立的智能移動計算機轉向了電子智能生態(tài)系統(tǒng)中的一分子。與云平臺或跨平臺系統(tǒng)的便捷交互，智能采集數據信息，適配多種便于用戶交互行為的智能穿戴應用，以及建立與物聯網的有機聯系已經成了可穿戴設備成功的關鍵所在。這一切都為交互設計提供了很大的發(fā)揮作用的空間。開發(fā)人員與用戶體驗的同步提升共同促進了可穿戴設備用戶交互領域突飛猛進的發(fā)展。由上面列舉的可穿戴智能設備的發(fā)展和類型變化，基于現如今5G應用的快速發(fā)展，我們可以預見到今后的可穿戴設備的用戶交互將會朝著代替?zhèn)鹘y(tǒng)計算設備、密集互聯和專用化方向發(fā)展。普通的基于用戶接觸進行響應的交互方式將會在不久的未來逐漸退出市場，而利用各種精密的傳感器、神經網絡、云計算、語音識別系統(tǒng)、或者依靠判斷用戶的普通行為進行用戶需求的判斷即將取代硬性的用戶手勢交互成為新產品的發(fā)展趨勢。同時，也可以利用交互設計注重用戶使用模式及服務體系設計的優(yōu)勢，通過創(chuàng)新性應用和生態(tài)系統(tǒng)的設計，推動可穿戴設備在現有技術基礎上的進一步發(fā)展。