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香港城市大學李文榮教授團隊 Adv. Sci.:人工智能賦能的柔軟傳感陣列可同時檢測肌肉變形和肌動信號-以實現元宇宙體感交互
2024-03-06  來源:高分子科技

  元宇宙代表了數字化時代的新篇章,將為人們創造更加豐富、多樣化的數字化生活體驗。通過虛擬現實和增強現實技術,用戶可以進入一個全新的數字世界,與人工智能、虛擬對象和其他用戶進行實時互動。這將為人們提供更多的娛樂、教育、社交和工作機會,拓展他們的視野和體驗。人機交互在元宇宙中的發展對于提供沉浸式體驗、自然而直觀的交互方式、實時互動和社交性、個性化和自定義體驗,以及提高可訪問性和包容性都具有重要意義。傳統的基于視覺的方法存在環境要求高的限制,如需要周圍光照、精確的攝像機放置和遮擋限制。相比起來,用小型輕便的可穿戴傳感器來捕捉人體動作并作為人機交互的輸入更加方便。基于加速度計、陀螺儀和慣性測量單元的可穿戴設備在實驗室研究和商業產品中被廣泛使用,但它們的剛性特性使其不夠用戶友好,與柔軟人體皮膚的機械不適配使其無法完全貼合人體從而造成數據誤差,給用戶帶來不便。


  近期,香港城市大學機械工程系李文榮教授團隊提出了一種新型的柔性可穿戴肌肉監測設備,通過同時檢測肌肉的形狀變化和肌動信號,結合機器學習技術實現對人體動作的準確捕捉和識別,并最終實現與虛擬元宇宙的人機交互(圖1)。該方法具有更廣泛的應用潛力,有望在元宇宙時代推動運動交互可穿戴設備的發展。

 

圖1. 用于基于運動識別的人機交互的可穿戴肌肉傳感設備。


  該工作利用基于多孔結構的碳納米管/聚二甲基硅氧烷制備了具有16通道的壓力傳感器陣列(圖2),結合多通道采集和無線數據傳輸技術,實現了可穿戴的肌肉檢測設備,并具有高頻振動信號檢測能力。因此,該可穿戴設備可同時檢測人體運動過程中的肌肉形變和肌動信號。該設備在10個受試者身上進行了測試,結合機器學習,可實現10種不同動作的準備識別(圖3)。結果還顯示該設備可用于步態識別(圖3(d))。最后基于實時動作識別,演示了基于該可穿戴設備與虛擬空間的交互(圖4),展示了其作為下一代用于元宇宙交互設備的潛力。總之,提供了一種替代傳統剛性慣性測量單元和肌動信號方法的檢測手段,用于實現準確的人體運動識別,進一步拓展了運動交互可穿戴設備在即將到來的元宇宙時代的應用。該工作以“AI-enabled Soft Sensing Array for Simultaneous Detection of Muscle Deformation and Mechanomyography for Metaverse Somatosensory Interaction”為題發表在《Advanced Science》上 (Advanced Science, 2024, 2305025)。文章第一作者為香港城市大學博士后索姣博士。該研究得到國家自然科學基金和香港研究資助局的支持。

 

圖2. 基于16通道柔性傳感陣列的可穿戴設備

 

圖3. 結合機器學習實現動作識別和步態識別


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202305025

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