CC BY
337Электроника, встроенная в одежду, —
технологии и перспективы
Александр САМАРИН
Термин «носимая электроника» (wearable electronics) возник около десяти лет назад. К данному классу техники относятся электронные устройства, носимые пользователем на себе или встроенными в одежду, другие аксессуары: перчатки, обувь, головные уборы, украшения. Подобные устройства, так же как одежда и аксессуары, должны быть комфортабельны в использовании и ношении. В данной статье приведены конкретные результаты, достигнутые в настоящее время в технологиях wearable electronics, для различных аспектов применения.
Введение
Появление концепции «носимой электроники» связано с развитием целого ряда технологий. В первую очередь она обязана достижению высокой степени миниатюризации и интеграции электронных компонентов, обеспечивших малые размеры для носимых устройств и появление новых сфер применения и сервисных функций. Высокий уровень интеграции, развитие рынка мобильных устройств, новых технологий — все это способствовало возникновению новых областей потребления. Электронная техника перемещается из разряда переносной или портативной в разряд постоянно носимой и обеспечиваю-
щей комфортный уровень функционирования человека. Носимая электроника имеет широкий спектр применений: развлечение, коммуникации и связь, военное снаряжение, медицина и здравоохранение, спорт, мода, обеспечение личной безопасности и пр.
Устройства носимой электроники появились достаточно давно. Первыми из таких устройств стали наручные электронные часы. Вторым стало появление мобильного телефона, а третьим — мультимедийного плеера, с возможностью записи и воспроизведения цифровых, аудио- и видеоданных.
В настоящий момент носимые устройства имеют огромные вычислительные ресурсы, достаточные для автономного решения вла-
дельцем комплексных задач различного плана. Встроенные микродисплей, видеокамера, персональная связь, интегрированные устройства ввода данных и управления, датчики и актуаторы — все это обеспечивает широчайший спектр устройств носимой электроники.
Их можно разделить на несколько категорий: концептуальные модели, изготовленные в единичных экземплярах для демонстрации потенциальных возможностей конкретной технологии, и серийные изделия, предназначенные для рынка. Последние также разделяются на два сектора — массовые и дешевые изделия для широкого применения и дорогие — для специфического рынка.
Судьба новых технологий на первом этапе зависит от эффективности первого применения, которое привлечет внимание массового потребителя. В маркетинге его называют killer application— «убойным приложением». Чтобы продавать новый вид товара, сначала необходимо показать его ценность возможным покупателям.
Для того чтобы концептуальная модель со временем стала killer application, требуется несколько составляющих. Во-первых, должна созреть потребность на рынке в данном виде услуг и товаров, обусловленная появлением новых функциональных возможностей, заложенных в данном товаре. Для развития данной составляющей существуют как объективные, так и субъективные факторы. К объективным относится реальная потребность общества в данном виде услуг и товаров. Сдерживающим фактором может служить первоначально высокая цена изделия, низкая надежность и малая функциональность. К субъективным — активное навязывание модного товара с низкой функциональностью за счет формирования модного сти-
История развития устройств «носимой электроники»
Первые устройства, которые можно отнести к разряду «носимой электроники», появились гораздо раньше, чем сам термин wearable electronics.
• 1959 г. — первый имплантируемый под кожу шведскими врачами электрокардиостимулятор Siemens-Elema.
• 1963 г. — начало широкого распространения пейджинговой связи.
• 1972 г. — электронные наручные часы с ЖК-дисплеем.
Середина 70-х годов — изобретение французским инженером Роланом Морено смарт-карты (Smart Card) — пластиковой карточки со встроенным микропроцессором. Через несколько лет компания Bull (Франция) разработала и запатентовала смарт-карту со встроенным микропроцессором. Но лишь в конце 80-х технологические достижения сделали ее достаточно удобной и недорогой для использования, в частности как платежное средство.
• 1982 г. — цветной телевизионный дисплей в наручных электронных часах.
• 1983 г. — первый коммерческий мобильный телефон.
• 1988 г. — первый бытовой носимый электрокардиограф Fucuda Denshi в нашейном брелке. Прибор обеспечивал оперативную запись ЭКГ в тревожных ситуациях самим пациентом. Длительность записи сигнала — несколько минут.
• 1988 г. — нагрудный измеритель частоты сердечных сокращений POLAR для элитного спорта с телеметрическим радиоканалом. Индикация и управление режимами и приемник телеметрического сигнала размещался в наручных часах, а усилитель ЭКГ-сигнала, электроды и радиопередатчик— в нагрудной эластичной ленте.
• 1996 г. — начало коммерческого использования персональной GPS-навигации.
• 1998 г. — первый флэш МР3-плеер появился в продаже.
• 2001 г. — компанией VeriChip разработан первый RFID чип-имплантант.
Электронные наручные часы
Основной функцией наручных электронных часов был отсчет и индикация времени. На протяжении последних двадцати лет, прошедших от начала массового выпуска электронных часов, в них добавлялись новые функциональные возможности: калькулятор, измеритель частоты пульса, термометр для тела, дисплей телевизионного приемника, диктофон и даже компьютер со своей операционной средой. Недавно появились модели наручных электронных часов со встроенными мобильным телефоном, диктофоном, видеокамерой, GPS-навигатором и МР3-плеером.
ля жизни и искусственного развития потребления. Собственно, все вышесказанное справедливо по отношению к внедрению любых новых технологий. В экономическом аспекте концепция носимой электроники может открыть дверь и для других технологических революций, подобных Интернету или мобильной связи.
Функциональные возможности носимой электроники:
• коммуникации и средства связи;
• аудио- и видеосредства;
• идентификация личности;
• персональная навигация;
• обеспечение безопасности;
• мониторинг биологического состояния;
• поддержка комфортного состояния пользователя.
Сферы применения носимой электроники:
• бытовая электроника, досуг;
• военный сектор;
• медицина (рис. 1), здравоохранение и спорт;
• персональная безопасность;
• промышленный сектор;
• транспорт;
• мода.
Основные компоненты носимой электроники:
• компьютерные модули;
• модули персональной связи;
• источники питания;
• полимерные материалы;
• технология межсоединений;
Рис. 1. Монитор сердечного ритма Polar (информация о внешней среде при помощи функции определения уровня спуска или подъема, учета скорости владельца, альтиметра, барометра и компаса)
• встроенная в одежду система датчиков для распознавания жестов и поз и положений тела;
• встроенные источники тепла;
• светоизлучающая ткань;
• гибкие дисплеи для встраивания в одежду.
Smart fabrics —
«умная» ткань или одежда
Этот термин определяет среду, которая обеспечивает функционирование и перемещение на теле человека устройств носимой электроники. Сюда относится одежда и различные тканые аксессуары, которые за счет конструкции (покроя) или же специфических свойств материалов создают дополнительные потребительские функции (рис. 2). Для обозначения того же понятия часто используются и другие словосочетания: Smart textile, Smart Shirt, Smart Clothing.
Прорыв в данной области произошел за последние 10 лет. Основные факторы, определившие прогресс: достижение высокого уровня миниатюризации пассивных и активных компонентов, развитие технологии автоматизированного монтажа, разработка и активное использование новых технологий и материалов. Это, с одной стороны, способствовало уменьшению цены, с другой — проникновению на широкий рынок технологий, первоначально предназначенных для специализированных секторов, в которых цена не имеет большого значения (спецодежда, обмундирование спецподразделений, скафандры и обмундирование пилотов и космонавтов, пожарных и подводников).
Можно выделить два типа или два поколения «умной одежды».
К первому, самому простому в реализации типу можно отнести одежду, в которой преду-
смотрены отсеки и карманы для размещения носимой электроники, а также вшиты проводные соединения между различными ее элементами. В этом случае при стирке и чистке одежды электронные блоки просто вынимаются из одежды. Данный тип носимой электроники представляет отдельные модули, которые могут быть интегрированы на макроуровне за счет использования среды одежды.
Отдельное направление smart fabric — Electronic textiles (e-textile). Первоначально этот термин определял тип тканого материала с вшитыми нитями для создания соединений между электронными устройствами. Ткань используется для пошива «умной одежды» (smart fabrics) с интеграцией функциональных электронных устройств. Компоненты и соединения являются частью ткани, они невидимы и невосприимчивы к стирке и чистке, не мешают движениям. Один из примеров использования e-textile — куртка с вшитыми проводами для создания соединений между наушниками в капюшоне и мультимедийным устройством, плеером, сотовым телефоном, находящимся во внутренних карманах куртки.
В настоящее время в данном направлении используются не только проводящие материалы и технология соединений, но и вшитые устройства компьютерного ввода информации, антенны, датчики, т. е. в ткань интегрируются пассивные компоненты носимой электроники. К числу лидеров в этой области можно отнести американские компании Konarka и Textronics.
При повышении уровня интеграции и миниатюризации электронных узлов можно получить полностью интегрированную в одежду электронную систему: электронные модули, межсоединения и датчики, устройства ввода данных, индикаторы, а в ряде случаев
Рис. 2. Основные компоненты «умной одежды» второго поколения SFIT
в одежду могут быть вплетены даже источники питания, представляя в итоге единое целое. Это второе поколение «smart fabrics», имеющее более высокий уровень интеграции. Для его идентификации был введен новый термин SFIT — Smart Fabric and Interactive Textile. В наборе слов явно просматривается тавтология, причем двойная. Слова fabric и textile — фактически синонимы, smart и interactive также контекстуально близки. Этот акцент характеризует концепцию следующего поколения «умной одежды» как интерфейс между телом и внешним миром. В соответствии с ней разрабатываются новые темы и направления одежды, которые адаптируют последнюю к внешним условиям. Второе поколение «умной одежды» называют также System On Textile — SOT. Полученная система будет относиться и к классу носимой электроники.
В ряде случаев «умная ткань» или одежда может солировать и без участия дополнительных электронных устройств. Это обеспечивается уникальными свойствами применяемого материала. Примером третьего типа «умной одежды» может служить так называемая «жидкая броня» (liquid armor). Ее свойства будут рассмотрены ниже.
Рынок производства и потребления smart fabric Разработкой концепций «умной одежды» в настоящее время занимаются сотни различных фирм, как крупных, так и мелких, а также университеты и исследовательские центры развитых стран. Лидерами в данном направлении являются: Nike, France Telecom, Philips Consumer Electronics, Textronics Inc., Invista, Sensatex.
Рынок индустрии «умной одежды» достиг к концу 2006 года уровня $340 млн. В 2008 году прогнозируется возрастание объема до $720 млн. Потенциал данного сектора огромен, особенно для военной сферы, медицины, спорта. Увеличилась доля использования «умной одежды» в здравоохранении. Это мониторинг сердечной деятельности, динамики изменения температуры тела и других биометрических параметров электронным оборудованием, имплантированным в одежду.
Развитием спроса в данном секторе рынка занимаются многие известные фирмы: Motorola, Philips Research (подразделение Photonic Textiles), Textronics, а также новички, занимающиеся разработкой одежды и модных приложений: Interactive Wear, Sensatex, Solicore, Vivometrics и др.
Ключевые игроки на рынке «умной одежды»:
• Производители готовых устройств: Motorola, VivoMetrics, System Planning, Sensatex.
• Текстильная индустрия: Textronics, SauQuoit, ElecrisolaFeindraht.
• Источники энергии: Philips, Konarka Technologies, Solicore.
• Медицина и здравоохранение: Smartex, Bodymedia, Interactive Wear
В настоящее время основной сектор потребления носимой электроники сосредоточен в США — более 60%, 30% приходится на рынок Европы, остальные 10% рынка — на страны Азии, Африки и Австралии.
Конференции smart fabrics Достижения в области «умной одежды» отражаются в проводимых ежегодно международных конференциях smart fabrics. Конференция направлена, с одной стороны, на демонстрацию результатов деятельности ведущих фирм, активно работающих в данном секторе, а с другой — на раскрытие потенциала данного направления производства одежды. Тематика конференции отражает интересы многих специалистов, работающих в этой сфере: управленцев разного уровня, инженеров, технологов, разработчиков новых материалов и дизайнеров, придумывающих новые комплексные формы модных товаров. Очередная конференция, посвященная проблемам разработки новых технологий, материалов и концепций для «умной одежды», состоится 7-9 мая 2007 года в Вашингтоне в Washington Marriott Hotel. Международные конференции smart fabrics проводятся с 2000 года. На нынешней будет свыше 150 представителей от ведущих фирм, занятых в сфере разработки и применения новых технологий «умной одежды». В декабре этого года в Праге состоится европейская конференция по той же тематике — Intellegent Textile.
Тематика разделов конференции smart fabric:
• Портативные источники питания и энергосберегающие технологии.
• Искусство и технология электронного текстиля.
• Коммерциализация, прогресс и этапы развития рынка электронного текстиля.
• Технология встроенных электрических соединений в одежде.
• Коммерческое применение нано- и микро-толщинных проводящих покрытий для текстильных изделий.
• Изменение цвета под действием излучения, теплозащита, защита тела человека от ультрафиолетового излучения.
• Технология струйной печати для встроенной электроники.
• Текстильные материалы для салонов автомобилей (кресла, подголовники, приборная панель).
• Использование энергии и света для встроенной в одежду электроники.
• Повышение энергоемкости батарей питания для встроенной электроники.
• Фототекстиль.
• Светодиоды в модной одежде.
• Встроенные в одежду микросенсоры для определения положения частей тела.
• Мониторинг в медицине и военных приложениях.
• Сенсорные материалы для smart fabrics.
• Мониторинг домашнего жизнеобеспечения.
• Спортивная одежда.
Технологии «электронной ткани»
Технологии «электронной ткани» и «гибкой электроники» (flexible electronics) взаимосвязаны и подразумевают создание новых материалов и методов для производства электронных схем на гибких подложках. Для встраивания в структуру ткани требуется гибкая клавиатура, гибкий дисплей, гибкие датчики давления и температуры.
Формирование
проводных соединений в одежде
Проводные соединения вплетаются в процессе формирования ткани. Топология проводников, вплетенных в ткань, должна обеспечить потенциальную возможность соединения различных электронных компонентов в одежде, изготовленной затем на базе этой ткани. Материал проводников должен не просто обеспечивать хорошую проводимость, но и быть эластичным и износостойким, чтобы выдерживать многочисленные деформации, возникающие в процессе ношения и стирки изделия. Он также должен быть пригоден для монтажа электронных компонентов.
Е
Рис. 3. Микрофотография ткани
с проводящими нитями (а);
два метода монтажа чипов в ткани (б)
Монтаж модуля ИС с проводными соединениями ткани (рис. 3б) ведется пайкой, во втором случае используется модуль с гибкой основой. Монтаж соединений производится методом пайки или с использованием АСБ (анизотропной проводящей клеящей пленки).
Интерфейсы
Технология текстильного тачпада ElekTex
Фирма Е1ек8еп http://www.eleksen.com разработала технологию Е1екТех, чувствительную к нажатию ткани.
Этот материал имеет все свойства обычной ткани и вместе с тем позволяет формировать управляющий интерфейс для встроенной в одежду электроники (рис. 4). Ткань устойчива к изгибам, стирке, износостойкая. Технология Е1екТех позволяет различать типы
Рис. 4. Формы текстильного тачпада для встраивания в одежду
прикосновения — от легкого нажатия до щелчка или сильного удара.
Структура ElekTex состоит из пяти слоев материала (рис. 5), которые и формируют резистивный тачпад. Внешний и центральный слои — проводящие, вокруг центрального имеется два изолирующих слоя. Сила нажатия фиксируется электронной схемой. При этом определяется положение точки нажатия и сила. Эти параметры далее интерпретируются в качестве команды для управления электронным устройством, встроенным в одежду, например таким, как iPod, мобильный телефон, смартфон или персональный компьютер.
Рис. 5. Структура текстильного тачпада
Другое изделие этой же фирмы — дисплей для встраивания в одежду или носимые аксессуары, например сумки. На рис. 6 показана концептуальная модель сумки SideShow со встроенным органайзером.
Рис. 6. Встроенный в сумку органайзер с текстильным тачпадом
Рис. 7. Структура встроенного в «умную» сумку компьютера
В сумку встроен самый настоящий компьютер с операционной средой, который имеет матерчатую клавиатуру, TFT ЖК-дисплей, интерфейсы Bluetooth и USB, а также считыватель RFID-меток (рис. 7). Кроме типовых органайзер сумки имеет новую оригинальную функцию — проверку содержимого с напоминанием владельцу о тех вещах, которые он забыл положить в сумку. У каждого предмета есть электронная метка — e-tag.
Электронный диспетчер сумки производит опознавание типов предметов, находящихся в ней. По окончании «переклички» для владельца формируется голосовое сообщение, например: «Нет ключей» или «Нет бумажника».
В компьютере используется специальная операционная система Vista, разработанная совместно с фирмой Microsoft. Версия ОС Vista официально запущена в продажу в начале 2007 года.
Практические примеры реализации
«умной одежды»
Одним из направлений развития является создание функциональной одежды с учетом использования и ношения электронных
аксессуаров: мобильных телефонов, медиаплееров, камер, источников питания, наушников, микрофонов, радиостанций. В первую очередь это молодежные куртки с многочисленными карманами для размещения всех атрибутов активной жизни. Второй этап этого направления — создание коммуникационных каналов для функционирования различных устройств, размещаемых в одежде. В простейшем случае это трассировки электрических сигналов, например от плеера до наушников.
Для связи устройств между собой используется персональная локальная сеть (PAN). Она имеет несколько уровней. Первый уровень — обычные проводные соединения между датчиками и блоком обработки сигналов или между блоком управления и актуаторами (приводными устройствами), электронагревателями и т. д. Соединения могут быть выполнены в простейшем случае просто прокладкой проводов в выделенных складках одежды «кабелегонах». Для размещения электронного оборудования используются пластиковые контейнеры, а в одежде — специальные отсеки, карманы. Подключение модулей к коммуникационной проводной сети, встро-
енной в одежду, — через плоские субмини-атюрные разъемы. Однако есть и альтернативный вариант — использование проводников, уже вшитых в ткань. В этом случае может быть достигнута большая технологичность, надежность, гибкость и меньшая цена соединений. Вплетенные проводники выдерживают многократные стирки с использованием активных химических веществ, а также перегибы одежды. При этом сохраняется эластичность одежды и скрытность размещения.
Куртка Audex с вшитым MP3-плеером
Этот вид товара относится к первому поколению «умной одежды» (рис. 8). Линейка «умной одежды» Audex (www.audextech.com) разработана компаниями Burton, R.E.D и Motorola. В куртке имеется 52 кармана для полезных предметов, обеспечивающих жизнеобеспечение и комфорт. Эргономика одежды разработана с учетом специфики устройств, переносимых в карманах одежды, — кошелька, бумажника, сотового телефона, кредитки, бутылки с питьем, плеера, наушников, запасных батареек. В куртке имеется карман с прозрачным окном для бейджа. Благодаря встроенной в куртку поддержке Bluetooth можно слушать плеер, разговаривать по сотовому телефону. Электроника управляется с помощью сенсорной панели, встроенной в левый рукав куртки. Кроме того, при помощи этой же панели можно управлять iPod. В куртку вшиты миниатюрные микрофоны и звукоизлучатели, а также источники питания и кабельные соединения. Смарт-карта, расположенная в кармане куртки, содержит необходимые программы для подключения куртки как сетевого объекта к мобильной связи. Если телефон не активен в данный момент, то MP3-плеер автоматически переводится в режим воспроизведения. Можно использовать также интегрированный активируемый голосом PDA, например чтобы записать новый номер телефона или пейджера. Панель управления, наушники
Рис. S. Куртка с «вшитым» МР3-плеером компании Audex
и микрофон сделаны съемными. Перед стиркой они вынимаются из отсеков куртки.
Встроенные в одежду нагреватели
Другим примером «умной одежды», предназначенной для поддержания максимального комфорта владельца, является жилет со встроенной системой обогрева (рис. 9). В ткань жилета вшиты нити нагревателей и термодатчики для контроля локальной температуры. Ну и, конечно, в одежде размещен мощный источник питания с энергией на 30-40 Дж, иначе эффективного теплоснабжения не получится!
Разработки «умной одежды»
Philips Research
Одной из ключевых технологий фирмы Philips Research для использования в концептуальной и модной одежде является вплетение в ткань светодиодного дисплейного массива со схемой управления.
На рис. 10 показан образец футболки со встроенным светодиодным табло. Кроме этого, в футболку вшиты схемы драйверов и микроконтроллер, а также система соединений между компонентами дисплейной системы.
Рис. 10. Светодиодный гибкий, встроенный в модную футболку, дисплей
Источник питания размещен в кармане куртки и подключается к дисплею через разъем. Дисплей имеет поле 200x200 мм. Технология позволяет создавать на текстильном материале дисплейные поля и больших размеров. Светодиодное табло может размещаться в различных типах домашней мебели, в диванных подушках, рюкзаках, сумках, покрывалах. Футболки могут использоваться для различных шоу. Изображение, формируемое на светодиодном табло, может быть как статическим, так и динамическим.
Медицина, здравоохранение и спорт Устройства носимой электроники для трех этих секторов имеют практически одинаковую структуру. Базовые функции многих систем как медицинского, так и спортивного назначения основаны в первую очередь на мониторинге биологического состояния объекта (рис. 11). Ключевые параметры для мониторинга:
• положение частей тела и самого объекта во времени и пространстве;
• частота сердечных сокращений;
• локальная проводимость кожи;
• давление крови;
• содержание сахара в крови;
• химический состав крови, пота и других физиологических жидкостей.
Система состоит из датчиков, встроенных в одежду или имплантированных в тело человека (например, для мониторинга состава крови), и носимого регистратора событий с микроконтроллером.
В качестве одного из примеров спортивной «умной одежды» можно привести женский спортивный топик, очень тонкий и эластичный, который контролирует частоту сердечных сокращений своей владелицы во время занятий бегом или аэробикой и по радиоканалу отсылает данные на монитор, размещенный в наручных часах. Этот топик выпускается под торговой маркой ЫиМе^ех. Датчик частоты сердечных сокращений, усилитель и передатчик встроены в ткань топика. Концепция «умной» спортивной ветровки Другим примером может быть тренировочная ветровка для пробежек. Экипировка действует как вторая кожа, с интерфейсами для мониторинга биологического состояния. Она анализирует движения и в соответствии с состоянием владельца дает необходимые рекомендации.
Эта ситуация может показаться фантастической, однако реализуется уже в настоящее время.
Система для мониторинга перемещений биообъектов
В одежду пациента встроены опорные инфракрасные светодиоды, которые включаются поочередно.
Пациент перемещается в поле зрения камеры, состоящей из ИК-фильтра, обьектива и двумерного датчика PSD (рис. 12). Синхронно с переключением источников производится и обработка и вычисление координат каждой опорной точки, подсвеченной соответствующим светодиодом. Информация поступает в компьютер, в памяти которого фиксируется движение точек, которые характерны для динамики частей тела пациента. Такие системы могут использоваться, например, в спортивной элитной медицине.
Имплантанты и электронные протезы
Одной из сфер эффективного использования носимой электроники является реализация утраченных функций для инвалидов. В мире насчитываются десятки миллионов инвалидов, у которых потеряны зрение или
слух, или ампутированы конечности. Специальный сектор носимой электроники ориентирован на помощь инвалидам и калекам. В настоящее время есть протезы конечностей с электронным управлением, которое использует датчики положения других частей тела, с тем чтобы обеспечить согласованное движение.
Пожалуй, самое широко известное и распространенное применение имплантированной носимой электроники — электрокардиостимуляторы. С момента разработки первого образца в 1961 году десятки миллионов людей использовали этот тип носимой электроники. Современные электрокардиостимуляторы имеют более совершенные свойства и расширенные функции.
Электронный глаз
Португальскими специалистами разработано устройство, позволяющее слепым людям видеть. «Электронные глаза» представляют собой очки со встроенными КМОП-камерами, которые фиксируют изображение, обрабатывают и преобразовывают его в матрицу сигналов управления вживленными в мозг человека электродами. С помощью сигналов электрической стимуляции, подаваемых на электроды, отображается грубый рельеф с выделением контуров предметов ближнего плана для ориентации. Данное устройство не позволяет видеть так, как видят зрячие люди, но для человека становится доступной общая схема расположения окружающих его предметов, что уже является огромным достижением для людей, лишенных зрения.
Системы индивидуальной навигации
Электронные носимые системы навигации обеспечивают определение координат владельца на местности и помогают выбрать правильный маршрут при движении, а также обеспечивают передачу координат для оказания экстренной помощи в опасных ситуациях.
Модуль GyroDRM для локальной
пешеходной навигации
Фирма Honeywell разработала серию магниторезистивных датчиков, на базе которых реализуются миниатюрные модули для систем навигации. В частности, разработана система DRM®-5 для пешеходной навигации, которая размещается в поясе. Алгоритм SmartPedometry™ учитывает любые движения человека: ходьбу, бег, смещение боковое, ползание, движение задним ходом, даже топтание на месте. Автоматический компас определяет положение тела оператора — стоит он или лежит. DRM®-5 имеет встроенный GPS-приемник военного типа высокого разрешения. Низкое потребление позволяет носить устройство постоянно включенным. Барометрический высотомер
Рис. 13. Набор модуля GyгoDRM, встроенный в пояс, с водозащитным исполнением
определяет номер этажа при движении объекта внутри здания. Программное обеспечение может модифицироваться с хоста. Для модуля не требуется подключение дополнительных датчиков движения, которые крепятся, например, на ноги. Датчик может использоваться для солдат или других служащих спецподразделений, которым нужно обеспечить позиционирование и навигацию внутри зданий.
Состав модуля: 3 датчика гироскопа, 3 датчика ускорения, 3 магниторезистивных датчика и барометрический высотомер. Мощность потребления — менее 1 Вт. Компактный модуль удобен для встраивания в одежду.
Пешеходная навигационная система NavShoe, встроенная в обувь Существует также концепция встраивания пешеходной навигационной системы в обувь пешехода. В ней размещается источник питания, сам модуль счисления, а также приемник GPS. Еще в 1996 году в проекте DAPRA предполагалась разработка подобной системы для военного назначения, однако результаты ее испытаний неизвестны. Проведенные испытания системы NavShoe, разработанной в 2005 году, показали очень хорошую точность: на 740 метров кольцевого маршрута по сложной траектории со спусками и подъемами была зафиксирована ошибка всего 2 метра!
Средства личной безопасности
Одной из сфер применения носимой электроники или же «умной одежды» является обеспечение личной безопасности человека. Номенклатура современных технических средств личной безопасности весьма обширна и содержит средства как пассивной, так и активной защиты от различных факторов внешней среды:
• средства связи и тревожной сигнализации;
• личные сигнализаторы со звуковым сигналом тревоги;
• предотвращение несчастных случаев при работе с ручным электроинструментом (определение опасных ситуаций, нахождение в опасной зоне, выключение или блокировка инструмента);
• системы персонального радиопоиска;
• индикация тяжелого состояния человека (мониторинг и передача сигнала о помощи);
• автоматическая локация движущихся объектов (обувь, навигация);
• активная защита (электрошокеры);
• защита от агрессивных животных;
• информационная безопасность (видео-и аудиорегистраторы);
• средства физической защиты — бронежилеты, активные наушники.
Ботинок с тревожной кнопкой и GPS-навигатором Технология GPS тоже нашла свой «путь» к обуви. Бизнесмен из Майами Сайо Исаак Дэниэль предложил выпускать уникальные туфли, названные Quantum Satellite Technology, в которые встроен GPS-передатчик, позволяющий отслеживать местоположение человека (рис. 14).
СИСТЕМА
Данные туфли не только позволяют следить за ними через спутники GPS, но и могут выручить в критической ситуации — нажав на специальную кнопку возле шнурков, вы автоматически посылаете сигнал бедствия.
Обувь Quantum Satellite Technology не является прототипом — это коммерческое изделие, которое появится на прилавках магазинов в феврале этого года по цене $325-350 США.
Туфелька Золушки со встроенным электрошокером Концепция туфельки c начинкой разработана дизайнером Simona Brusa. В одну из туфелек вмонтирован настоящий электрошо-кер, приводимый в действие тревожной кнопкой на пульте ДУ, спрятанном в ожерелье (рис. 15). На кончике туфли возникает разряд с напряжением около 100,000 вольт.
В каблуке размещена батарейка 9 В элект-рошокера, приемник ДУ и высоковольтный преобразователь напряжения (рис. 16). Разрядные шины в подошве ведут от высоковольтного генератора к двум электродам, расположенным в кончике туфли. Электроды защищены тонким стеклянным непрозрачным колпаком. При возникновении угрозы владелец нажимает кнопку дистанционного управления на украшении, висящем на шее.
Передача команды через радиоинтерфейс
Нажимаем тревожную кнопку на ожерелье
Искровой разряд
Ъ \—ГЪ Кончик ^обуви Наблюдаем высоковольтный разряд
Рис. 16. Принцип действия электрошокера «Башмачок»
На кончике туфельки возникает электрический разряд, способный отразить нападение противника.
Данный тип оружия одноразового действия должен использоваться только в случае реальной опасности. Проверка или демонстрация оружия недопустимы. Перед использованием нужно снять «предохранитель» — разбить стеклянный колпачок на кончике туфли. Прототипы демонстрировались на выставках SIGGRAPH 2005 в Лос-Анджелесе, в амстердамском доме моделей Nemo Museum и в австралийском Pica Museum. Это пример концептуальной эпатажной модной модели, которая предназначена в основном для выставок и шоу.
Активные наушники шведской фирмы «Sordin»
Это устройство предназначено для электронной защиты слуха во время охоты и спортивной стрельбы (рис. 17) и ничем не
Рис. 17. Внешний вид активных наушников для стрельбы
отличается от обычных стереонаушников. Ветрозащищенные стереомикрофоны обеспечивают прослушивание звуковой «картинки» в зоне 360°, что позволяет комфортно ориентироваться на источник звука. Окружающий звук воспроизводится в наушниках на безопасном уровне. Стереозвук поддерживает и улучшает определение направления звука. Самые слабые шумы окружающей среды могут усиливаться в 4 раза. При стрельбе защищает слух от звука и эха выстрела, глушение шума составляет около одной секунды (0,8 с), при этом удар пули о мишень отчетливо слышен.
Наушники обеспечивают повышенную комфортность и изоляцию от внешних звуков, усиление звука и гашение импульса звуковой ударной волны, возникающей при собственном выстреле и выстрелах соседей (82 дБ). Наушники могут быть подключены к внешней рации, чтобы одновременно прослушивать радиоэфир и окружающее акустическое пространство. В них размещены элементы питания и стереоусилитель с цифровой обработкой сигналов. Есть модели наушников и со встроенным УКВ-тюнером.
Бейсбольная кепка
со встроенным видеорегистратором
Номенклатура современных миниатюрных носимых видеорегистраторов широка. Имеются модели с камерами, встроенными в очки, кепки (рис. 18), авторучки, с регистратором и без, также есть опции с радиопередатчиком. Одним из представителей бытовой «носимой электроники», который можно одновременно отнести как к устройствам раз-
Рис. 18. Видеокамера в бейсбольной кепке
влечения, так и к устройствам обеспечения личной безопасности, является бейсбольная кепка со встроенной видеокамерой. Видео в разрешении 720°480 пикселей сохраняется на SD-карте емкостью 4 Гбайт. Аккумулятора хватает на один час непрерывной работы. Стоимость головного убора — $1275.
Очки с видеокамерой
Другим представителем носимого видеорегистратора является цветная видеокамера, встроенная в солнцезащитные очки (рис. 19). Для передачи изображения используется миниатюрный передатчик, который находится в кармане. Изображение можно записывать непосредственно на миниатюрный рекордер. Угол обзора 92°. Передатчик работает на частоте 1,2 ГГц, дальность передачи сигнала — 300 м.
GPS-пояс
Японская компания разработала пояс ActiveBelt со встроенным GPS-приемником (рис. 20). По периметру ремня расположены вибродатчики, которые подсказывают владельцу, в какую сторону ему необходимо двигаться, чтобы попасть в нужную точку.
ActiveBelt использует виброзвонки, которые могут работать сильнее или слабее, тем самым указывая примерное расстояние до необходимого объекта или контрольной точки. Пока это всего лишь тестовый образец, однако в будущем создатели планируют оснастить его Bluetooth, чтобы принимать маршрут с карманного компьютера или ноутбука. ■
Окончание следует Литература
1. Towards a design framework for wearable electronic textiles/ Martin T., Jones M., Edmison J., Bradley R. Sh. Dept. of Electrical and Computer Engineering.
2. A Mobile Device as User Interface for Wearable Applications / Iso-Ketola P., Karinsalo T., Myry M., Hahto L., Karhu H., Malmivaara M. and Vanhala J. Tampere University of Technology.
3. Personal Area Networks: Near-field intrabody communication / Zimmerman T. G. IBM system journal, vol. 35, N 3-4, 1996.
4. E-broidery:Design and fabrication of textile-based computing / Post E. R., Orth M., Gershenfeld P. N. Russo R. // IBM system journal, vol. 39, N 3-4, 2000
5. The business of wearable electronics / Luprano J., Kotrotsios G. pHealth 2006 Lucerne, 31.01.2006.
6. Study on the Transmission Mechanism for Wearable Device Using the Human Body as a Transmission Channel / Fujii K., Takanashi M., Ito K., Hachisuka K., Terauchi Y., Kishi Y., Sasaki K. and Itao K. Special Section on 2004 International Symposium on Antennas and Propagation.
7. Development and Investigation of the Transmission Mechanism of the Wearable Devices Using the Human Body as a Transmission Channel / Ito K. Fujii K. // Antenna Technology Small Antennas and Novel Metamaterials, 2006 IEEE International Workshop.
8. Next-Generation Wearable Networks / Ashok R. L. University of Cincinnati Dharma P. Agrawal, University of Cincinnati.
9. TAP: Touch And Play / Park Duck Gun, Kim Jin Kyung, Sung Jin Bong, Jung Hwang Hwan, Hyung Chang Hee, Kang SungWeon // Basics Research Laboratory, Electronics and Telecommunications Research Institute Korea. Conference on Human Factors in Computing Systems. 2006.
10. Method and apparatus for transmitting power and data using the human body. United States Patent 6,754,472 Williams et al. Microsoft. June 22, 2004 (заявка от 27 апреля 2000 года).
