可穿戴计算机硬件研究现状

2020-12-08

魅力中国 2020年19期

（黑龙江省市场主体信息监测中心，黑龙江哈尔滨 150000）

从可穿戴计算机硬件系统的结构来看，早期的可穿戴计算机基本采用PC 开放构架，用 COTS 器件或是定制主板电路，形成一种精简 PC 形式的集中主机模式。随着研究的深入，MIT 等大学提出了分布主机的硬件体系，采用的体系机构也从PC 构架拓展到以微控制器为基础的非 PC 构架，提出了“身体总线”和“身体网络”等概念和技术，这种技术实现的可穿戴计算机更适合构建以衣物为支撑的结构。

一、专用的主板

可穿戴式计算机要求超微型、超轻型、结构紧凑的主板。目前可以为可穿戴计算机所用的主板主要是嵌入式系统部件，如 PC/104。但是对大部分的可穿戴式计算机硬件系统来说，嵌入式的硬件设备在体积和重量方面还是不能很好的满足要求，特别是在计算能力和低功耗方面尤其不足。另外，无主板结构是可穿戴式计算机硬件结构的主要发展方向之一，这是迅速减少穿戴机尺寸的有效方法。无主板结构将各个器件直接用总线连接,最终目标是取消各种接插件（Connector）。

二、超微型、超轻型硬盘

硬盘的超微型、超轻型化是减少可穿戴式计算机体积及重量的关键因素之一。IBM 已推出的 Compact Flash 形式的微型硬盘，其体积在 50 X 50 X 2mm，容量已经达到 2GB，重量不足 100 克。

三、“缝制”工艺

U of T 的 Prof.Mann 及美国军方研制的基于衣物的可穿戴式计算机采用了“缝制” 工艺，将器件、组件、数据线、电源线分布并“缝制”在衣物（一种军用背心）的适当部位。这种基于衣物可穿戴计算机可称为Smart Clothing（聪明衣服）。

四、可洗编织组件及电路

穿戴舒适、方便、实用的可穿戴计算机应是采用令人穿戴舒适的柔软材料编织和缝制而成的，最好是可洗的，这种用于可穿戴计算机的编织物也称为 Smart Fabric（聪明织物），如果 Smart Fabric 是可洗的就称为可洗计算（Washable Computing）。Smart Fabric、Smart Clothing 和Washable Computing 的关键技术有：可洗编织组件和可洗编织电路（不是印制电路）；适合可洗编织的材料、元器件；可洗编织可穿戴计算机的系统组成原理；传统的编织缝纫技术、电子技术与新型材料相结合制作可穿戴计算机的方法。MIT Media Lab 的 E.Rehmi Post 和 Maggie Orth 对Smart Fabric 的研究已取得了初步可喜的成果。他们采用市场上可买到的普通材料，如用于装饰衣物的金属纱线、绝缘纱线和电子元、器件等，编织成用于构建可穿戴计算机的电子织物。目前已有一种全织物电容式数字键盘在批量生产，它采用了普通刺绣技术。这种数字键盘柔软、耐用、触摸响应。对穿戴机而言，未来柔软“电路板”将要取代僵硬的印制电路板，而非“电路板”结构的 Smart Fabric 应是主要发展方向之一。

五、特殊的输入设备：

特殊键盘和鼠标：目前主要有手臂键盘，可单手操作，配合轨迹球（Track Ball）使用可以实现鼠标和键盘的所有功能；Handikey 公司推出的琴键式（Chord）键盘键盘化掌上键盘和鼠标的集成输入设备 Twiddler，重量只有 4 盎司，可以单手握住操作。语音输入装置：这是可穿戴式计算机最重要和最有潜力的输入装置之一，目前的发展比较迅速。

六、特殊的输出设备

可穿戴计算机的输出装置主要有 HMD(Head Mounted Display)、语音和触动装置等。但目前可穿戴计算机的最关键装置是 HMD，它是实现可穿戴计算机先进人-机交互的基础。最初 HMD 主要用于全沉浸虚拟现实技术。HMD 有很多形式，风格各异，如基于普通眼镜隐蔽式的、基于头盔的、基于主杆（boom）支架的、外型类似于滑雪护目镜的等等，它们的用途和性能各不相同。现在市场上已有一些商品化的 HMD 出售，如 IBM 的可穿戴计算机采用的微型 HMD，重量少于几盎司；Reflection Technology 公司推出 Private Eye 7 是彩色液晶显示、VGA 分辨率，是目前值得推荐的 HMD；佳能推出的 GT270 HMD 外型(ⅰ)It may be used while the wearer is in motion（可穿戴计算机可在运动状态下使用）。

DARPA 利用这些技术开发了一系列 HMD 产品，如 CVC（战车手护目镜），它采用独特的轻型光学设计，将 1280 x 1024 AMEL 显示器集成在一件标准军用防风沙、阳光护目镜中，整个系统只有 11 盎司；军用先进视觉系统（Army's Advanced Visionics System）采用 DARPA HMD 技术，达到了全彩色、1280x1024 pixel 的水平，这个视觉系统供直升飞机的飞行员使用；用于军用飞机驾驶舱仿真器的第一件全沉浸 HMD；用于军用和商用飞机安装和维护的头戴增强现实系统。这个计划现在继续支持 AMLCD 和 AMEL 显示器的开发，目标是：制造 2000 DPI 显示器，将彩色滤波器应用于这类显示器，将可提供每平方英寸1280 x 1024 的彩色的显示器；开发低电压 AMEL 技术，使其达到标准 CMOS 水平。