用于穿戴式運(yùn)動(dòng)捕捉的差分式柔性應(yīng)變傳感器

運(yùn)動(dòng)捕捉在醫(yī)療、體育、人機(jī)交互等多個(gè)領(lǐng)域具有重要意義。穿戴式運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備能夠很好地與衣物結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)舒適、無感的動(dòng)捕體驗(yàn)。相比基于光學(xué)鏡頭的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備，穿戴式運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備更加輕便、不受場(chǎng)地和鏡頭遮擋等因素的影響，表現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。然而，穿戴式柔性運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備在運(yùn)動(dòng)過程中，不可避免會(huì)隨人體表面發(fā)生變形。變形的復(fù)雜性使得動(dòng)捕設(shè)備獲取的信號(hào)難以與運(yùn)動(dòng)行為本身建立明確映射關(guān)系，導(dǎo)致傳感器分辨行為的準(zhǔn)確性不足。因此，如何實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備在跟隨表面變形時(shí)準(zhǔn)確地感知運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)穿戴式設(shè)備的發(fā)展十分重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華南師范大學(xué)的李昕明團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有形變解耦能力的差分式柔性傳感器，用以解決復(fù)雜形變導(dǎo)致的動(dòng)捕準(zhǔn)確率不足問題。相關(guān)研究成果以“Differential design in homogenous sensors for classification and decoupling kinesthetic information through machine learning”為題發(fā)表在Applied Physics Review期刊上，并被編輯選為期刊推薦論文（Feature Article）。

該差分式柔性傳感器結(jié)構(gòu)參考了生活中的平紋編織結(jié)構(gòu)，利用2根導(dǎo)電紗線的空間分布差異，使導(dǎo)電紗線在面對(duì)不同形變時(shí)產(chǎn)生特異性的電學(xué)信號(hào)輸出模式，從而分類、解耦形變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確映射。

圖1 差分式柔性傳感器的設(shè)計(jì)原理（圖片來源：Applied Physics Review）

為研究該差分式柔性傳感器對(duì)于不同形變的響應(yīng)模式，研究人員首先通過三種基本形變的施加進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，該器件能夠區(qū)分拉伸、向上彎曲以及向下彎曲三種不同的基本形變模式，并且能夠區(qū)分形變的程度。

圖2 差分式柔性傳感器對(duì)于基本形變的響應(yīng)模式（圖片來源：Applied Physics Review）

隨后，研究人員研究了其對(duì)于多種形變耦合的解耦能力。通過引入一種名為“shapelet”的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，該差分式柔性傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)25種不同程度拉伸和彎曲組合的解耦。除此之外，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過多個(gè)器件的空間排列，還可實(shí)現(xiàn)包括剪切、扭轉(zhuǎn)在內(nèi)的更為復(fù)雜的形變解耦。該傳感器對(duì)于復(fù)雜形變的解耦能力意味著其在真實(shí)場(chǎng)景中面對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形變輸出準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)信息的潛力。

圖3 基于響應(yīng)關(guān)系通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形變的解耦（圖片來源：Applied Physics Review）

因此，研究人員進(jìn)一步研究了該差分式柔性傳感器在人體復(fù)雜運(yùn)動(dòng)捕捉場(chǎng)景中的潛力。研究發(fā)現(xiàn)，該器件能夠區(qū)分關(guān)節(jié)活動(dòng)的方向和角度，并且通過將該器件集成于手套上，還可實(shí)現(xiàn)“凌空手寫輸入”。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用佩戴有手套的手書寫“A”、“B”、“C”三個(gè)字母，并通過shapelet模型識(shí)別傳感器的輸出信號(hào)，結(jié)果顯示識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。除此之外，憑借強(qiáng)大的解耦能力，該器件有望無需校準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的動(dòng)作捕捉。這意味著，利用該器件構(gòu)建的動(dòng)捕系統(tǒng)，其準(zhǔn)確性不會(huì)受到佩戴者體型差異或佩戴位置差異的影響，有望實(shí)現(xiàn)如衣物一般“穿上即用”，極大改良了穿戴式動(dòng)作捕捉的使用體驗(yàn)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0144956

延伸閱讀：
《可穿戴傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
《印刷和柔性傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2021版》
《觸覺技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》 ?

原文標(biāo)題：用于穿戴式運(yùn)動(dòng)捕捉的差分式柔性應(yīng)變傳感器

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