可靠的可穿戴系统可实时识别手指运动

能够检测、跟踪和解码周围环境运动的设备可以在机器人、医疗保健、娱乐业、体育等领域拥有无数有价值的应用。可穿戴传感器在检测和记录人类用户的运动方面特别有效，因为它们可以战略性地放置，并且可以更精确地捕捉更细微的运动。

亚洲大学、高丽大学和韩国科学技术研究院(KU-KIST)的研究人员最近开发了一种新系统，可以实时识别人类用户手指的运动。他们在《自然电子》杂志上提出的设备基于可穿戴传感器和一系列所谓的人工突触(即复制大脑中突触功能的硬件组件)。

进行这项研究的研究人员之一，SungjunPark教授(亚洲大学)告诉TechXplore：“人机界面的发展正朝着与我们的日常生活更加无缝地融合的方向发展。”“理想情况下，我们会在没有意识到的情况下与技术进行交互。实现这一目标的一个关键方法是让机器识别自然的人类动作，尤其是手指动作等复杂的动作。这种识别不仅是一种新颖，而且具有深远的意义。对机器人、医疗保健和通信等领域的影响。”

尽管可穿戴运动识别系统的开发最近取得了进展，但迄今为止提出的许多解决方案仍然没有达到最佳结果。最近开发的用于识别人体运动的系统依赖于两个或多个固定设备，例如3D深度相机、红外相机和惯性测量单元。

“设置类型无意中妨碍了他们试图识别的非常自然的运动，”GunukWang教授(KU-KIST)解释道。“此外，它们的底层算法在时间和精力方面都是资源密集型的，主要是因为它们需要将手指与其他物体区分开来，然后在连续的时间范围内跟踪它们的运动。我们最近在《自然电子》上发表的论文试图克服这些障碍”。

在之前的研究成果的基础上，Park、Wang教授及其同事着手开发一种“不受限制”的运动识别系统，该系统可以可靠地检测和识别用户单个手指的运动。为此，他们将广泛使用的带有人工突触的光学传感器集成到非常薄的基板上，该基板的厚度约为2微米(即约为人类头发直径的1/20)。

“这个想法的起源来自于两项关键工作，”帕克教授说。“第一个是我之前关于用于自供电心电图传感器的高灵敏度和超灵活有机光伏的工作，而第二个是GunukWang开发的突触设备，该设备能够长时间稳定运行。”

研究人员的手指运动识别系统有两个主要组件，即光学传感器(有机接近传感器)和所谓的突触装置。通过小心地将这两个组件放置在非常薄的基板上，该团队能够生产出一种易于佩戴在皮肤上的设备，同时也能适应人类移动时皮肤上自然形成的折痕。

这种独特的设计允许用户在周围环境中随意移动，同时系统记录并识别他们的动作。该系统通过完成三个不同的步骤来实现手指动作识别：动作捕捉、信号转换和学习/识别。

“佩戴传感器时，用户可以在空中绘制图案(在我们的演示中，我们使用数字0到9)，”Park教授解释道。“这是由放置在食指顶部和侧面的光学传感器捕获的。为了提供照明条件，我们将两个不同的灯垂直对齐。为了说明这一点，如果您画数字“3”，您的手指将追踪一条独特的路线沿着水平(x轴)和垂直(y轴)平面。当光学传感器距离光线越来越近或越来越远时，它会产生不同的电压模式。

第二步，该团队的系统将运动传感器捕获的光实时转换为电信号。然后，从手指的运动中得出的独特电压模式被转换为表示电压大小的数字图像。最后，这些数字图像被馈送到突触设备，该设备通过运行机器学习算法来预测用户的手指运动。

“这个组件对于学习和识别模式至关重要，”王教授说。“它根据输入调整和更新突触权重(w)，其改变和维持电导的能力发挥着至关重要的作用。本质上，更明显的输入电压会导致电导发生更显着的变化，这种变化针对特定的情况。随着时间的推移，设备经过训练可以识别数字0到9的模式，使其能够根据所学到的突触权重识别新的随机模式。

与过去引入的许多其他运动识别系统相比，研究人员的系统在预测方面更加可靠、耐用和准确。值得注意的是，他们的设备可以承受高达60%的应变，并且在反复弯曲1,200次以上后仍能保持其功能。

该系统还可以在照明条件较差的情况下工作，包括在照明不足的环境中或一天中光线不足的时候。在初步评估中，它实现了高达95%的惊人准确率，从而比过去推出的无数其他解决方案更好地预测人类用户的手指运动。

“我们在神经形态计算和可穿戴设备的交叉领域取得了重大进展，”帕克教授说。“通过将传感器和突触设备协同作用到极其柔韧的基板上，我们精心设计了一个系统，该系统不仅可以与用户无缝融合，而且还展示了出色的计算能力。其特点是功耗需求降低、精度提高和值得称赞的弹性——机械和电气方面。”

未来，该研究团队推出的新手指检测系统可以在各种环境中实施和测试，从而受益于对人体运动的可靠监控。其底层设计还可以激发该领域的进一步努力，从而开发新的最先进的运动跟踪和识别技术。

“除了手指运动之外，这项技术还可以用于识别其他身体动作，”帕克教授说。“此外，它的影响是深远的，跨越各个领域，包括机器人技术，它可以促进精确的人机交互;医疗保健，它可以彻底改变患者监测和康复;通信，它可以实现更直观的界面;可穿戴设备。技术，它可以帮助开发更加用户友好和适应性更强的设备;以及增强和虚拟现实领域，它可以帮助创造更加身临其境和自然的体验。”

在当前和即将进行的研究中，Park教授和他的同事计划继续研究他们的设备，以进一步提高其功能和性能。此外，他们希望利用自己的设计来创造新技术，用于解释其他身体运动和生理信号。

Park教授补充道：“我们最近的工作重点是创建一种专为实时手指运动识别而定制的皮肤贴合系统，该系统是通过将光学传感器和人工突触合并在异常柔韧的基底上来实现的。”

“这个平台的潜力并不止于此。事实上，我们正在探索各种传感器类型的集成，例如应变或热传感器，以解释更广泛的数据。光学传感器的多功能性也令人兴奋”

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！