قفاز ذكي يتتبع حركات اليد بدقة غير مسبوقة – عالم الفيزياء

قام باحثون في جامعة كولومبيا البريطانية بكندا (UBC) بتطوير قفاز ذكي يتتبع حركات الأصابع واليد والمعصم بدقة غير مسبوقة. تقنيات تكسافي. تم تزويد الجهاز القابل للغسل بألياف استشعار فردية تستجيب للتغيرات الصغيرة في تمدد المادة وضغطها. تنقل المستشعرات هذه المعلومات لاسلكيًا إلى خوارزمية التعلم الآلي التي تقدر حركات اليد الدقيقة على الفور تقريبًا.

بالإضافة إلى التقاط الديناميكيات عن بعد وتوفير معلومات حول كيفية تفاعل الأيدي مع الأشياء للروبوتات والواقع الافتراضي، توفر القفاز أداة لتقييم السكتة الدماغية وحركات أيدي المرضى الآخرين وقوى الإمساك. يمكن أن تساعد مثل هذه التقييمات المرضى في الحصول على تعليقات حول الحركات التي يحتاجون إلى التركيز عليها لتحسين وظيفة حركية أيديهم.

في التصميم الجديد الذي أنشأته بيمان سيرفاتي وفريقه، يتم خياطة العديد من أجهزة استشعار الألياف المصممة خصيصًا في نسيج القفاز القابل للتمدد في النقاط التي تغطي مفاصل الأصابع وأطراف الأصابع والمعصم وراحة اليد. تؤدي الحركات في المفاصل، أو الضغط الناتج عن تفاعل اليد مع جسم ما، إلى حدوث تمددات في القماش. يمكن لأجهزة الاستشعار اكتشاف امتدادات منخفضة تصل إلى 0.005% وتصل إلى 155% من طولها الأصلي. كل هذه المستشعرات، المرتبطة عبر موصلات قابلة للتمدد بلوحة معالجة لاسلكية في الجزء الخلفي من القفاز، تقوم بتغذية البيانات في خوارزمية تقدر زوايا المفصل بدقة 1.4 درجة. الإخراج عبارة عن صورة ثلاثية الأبعاد لشكل اليد والتي تتبع ديناميكيًا حركات مرتدي القفاز.

نسج خيوط جيدة

قام سيرفاتي وزملاؤه بتطوير ألياف خاصة تسمى خيوط الاستشعار الحلزونية، والتي تعمل على تحسين دقة أداء المواد المستخدمة في أجهزة استشعار النسيج القابلة للارتداء. تتكون هذه الخيوط القابلة للتمدد من نواة مرنة ملفوفة بألياف نانوية مغلفة بالمعدن على شكل حلزوني. تعمل مصفوفة البوليمر والغلاف المطاطي على ربط الهيكل معًا، مما يوفر المتانة والنطاق الديناميكي وقوة الشد. تعمل دورات التمدد/تحرير الضغط الخارجية على تغيير منطقة التلامس للألياف المعدنية النانوية المجمعة معًا، مما يؤدي إلى تغيرات في مقاومتها الكهربائية. وتمت خياطة هذه الخيوط بين طبقتين من النايلون والبوليستر والإسباندكس لصنع القفازات الذكية.

وباستخدام أنظمة كاميرا التقاط الحركة، جمع الباحثون أكثر من ثلاثة ملايين إطار لحركة اليد من قبل خمسة مشاركين بأحجام أيدي مختلفة. وكانوا يرتدون قفازات ذكية تحمل علامات مرئية عند 16 نقطة. أمسك المشاركون بالأشياء، وقاموا بالتبديل بين الإيماءات، وحركوا أصابعهم بشكل عشوائي. قامت بنية الشبكة العصبية بتعيين الصور المرئية لبيانات الاستشعار التي تم جمعها في وقت واحد، مما أدى إلى نموذج للتعلم الآلي يقدر زوايا مفاصل اليد والمعلومات اللمسية من بيانات الضغط المقاسة بواسطة خيوط الاستشعار.

"يعد التقاط حركات اليد والأصابع البارعة بدقة مهمة صعبة للغاية. يقول سيرفاتي: "إن الأنظمة الحالية المعتمدة على الكاميرا مكلفة ولديها مشكلات في مجال الرؤية المحدود". القفاز هو التصميم الأكثر دقة في السوق لتقدير زوايا الأصابع والمعصم أثناء الحركة بأقل قدر من التأخير. إنه يطابق دقة معدات الكاميرا ذات المعايير الذهبية.

قام الأشخاص الذين يرتدون القفاز أيضًا باختبار كيفية أداء القفاز في التقاط حركات محددة تتعلق بالمهام اليومية. وتمكن الجهاز من اكتشاف الكلمات "المطبوعة" عن طريق حركات الأصابع المتعددة على سطح عشوائي بدقة تصل إلى 98%؛ قدرت 100 إيماءة ثابتة وديناميكية مقتبسة من لغة الإشارة الأمريكية بدقة 95٪. كما اكتشف أيضًا 34 جسمًا - بما في ذلك الأكواب والنظارات وكرات البيسبول وكرات التنس - من شكل قبضة اليد وقوتها بدقة تصل إلى 98%.

اشطف، اغسل، كرر

يمكن أن يكون أحد استخدامات القفاز هو مساعدة السكتة الدماغية والمرضى الذين فقدوا حركة اليد جزئيًا. العمل مع الخبراء السريريين بما في ذلك جانيس المهندس، المتخصص في إعادة تأهيل السكتة الدماغية في قسم الطب بجامعة كولومبيا البريطانية، وجد سيرفاتي وفريقه أن العديد من المرضى يحتاجون إلى طريقة دقيقة لتقييم حركات أيديهم وقوى الإمساك. إن إجراء هذه التقييمات عن بعد وتعديل إجراءات التمارين أو تقييم الامتثال يمكن أن يساعد أيضًا المرضى الذين يعانون من مرض باركنسون ومشكلات حركة اليد الأخرى.

يقول سيرفاتي: "من الصعب جدًا القيام بذلك حتى في العيادة، ولا يوجد شيء للقيام بذلك بدقة وعن بعد".

القفاز المغطى بالمستشعر يمكن أن يؤدي إلى أيدي صناعية أفضل

تعد الأجهزة القابلة للارتداء جذابة للمهام السريرية، لكن العديد من التصميمات تفتقر إلى الموثوقية والدقة وقابلية الغسيل اللازمة للاستخدام العملي. بعد النقع والتحريك المتكرر في الماء والمنظفات، وبعد الخضوع لدورات الغسيل المتكررة في الغسالة، شهدت قفاز سيرفاتي تغيرًا أقل من 10% في أداء المستشعر.

يقول سيرفاتي: "من المثير حقًا تطوير هذه التكنولوجيا في شكل متين وقابل للغسل يمكن أن يحدث قفزة كبيرة في التفاعل بين الإنسان والحاسوب وإمكانية تمثيل التفاعل مع الأشياء بدقة دون الحاجة إلى الكاميرا".

سوبرامانيان سونداراميقول باحث في مركز التصميم البيولوجي بجامعة بوسطن، والذي لم يشارك في الدراسة، إن دراسة كيفية تغير وظائف هذه الألياف في ظل ظروف الاستخدام اليومي هي "الاتجاه الصحيح الذي يجب التركيز عليه" لإنشاء منسوجات موثوقة يمكن للناس استخدامها بشكل متكرر. . على الرغم من أن تقديرات الخطأ الكمي لزوايا المفاصل تعتبر اعتبارات مهمة للتطبيقات الطبية المحتملة، إلا أنه يعتقد أن مثل هذه التطبيقات لا تزال بعيدة المنال. ويقول: "إن التحدي الرئيسي، الذي لا يقتصر على هذا العمل، هو تحديد الإعدادات المحددة التي تكون هناك حاجة ماسة إلى هذا النوع من التكنولوجيا فيها".

يوصف العمل في المخابرات آلة الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/smart-glove-tracks-hand-movements-with-unprecedented-accuracy/