스마트 장갑은 전례 없는 정확도로 손 움직임을 추적합니다.

전례 없는 정확도로 손가락, 손, 손목의 움직임을 추적하는 스마트 장갑이 캐나다 브리티시컬럼비아대학교(UBC) 연구진에 의해 개발되었습니다. 텍사비 테크놀로지스. 세탁 가능한 장치에는 소재의 신축성과 압력의 작은 변화에 반응하는 개별 센서 섬유가 내장되어 있습니다. 센서는 이 정보를 기계 학습 알고리즘에 무선으로 전송하여 거의 즉각적으로 손의 미세한 움직임을 추정합니다.

역학을 원격으로 캡처하고 로봇 및 가상 현실을 위해 손이 물체와 상호 작용하는 방식에 대한 정보를 제공하는 것 외에도 장갑은 뇌졸중 및 다른 환자의 손 움직임과 잡는 힘을 평가하기 위한 도구를 제공합니다. 이러한 평가는 환자가 손의 이동성 기능을 향상시키기 위해 어떤 움직임에 집중해야 하는지에 대한 피드백을 받는 데 도움이 될 수 있습니다.

새로운 디자인으로 제작된 페이먼 세르바티 그의 팀은 손가락 관절, 손가락 끝, 손목 및 손바닥 위에 있는 지점에 장갑의 신축성 있는 천에 수많은 맞춤형 섬유 센서를 꿰매었습니다. 관절의 움직임이나 손이 물체와 상호 작용하여 발생하는 압력으로 인해 천이 늘어납니다. 센서는 원래 길이의 0.005%에서 최대 155%까지 늘어난 부분을 감지할 수 있습니다. 신축성 있는 커넥터를 통해 장갑 뒷면의 무선 처리 보드에 연결된 이러한 모든 센서는 1.4°의 정확도로 관절 각도를 추정하는 알고리즘에 데이터를 공급합니다. 출력은 장갑 착용자의 움직임을 동적으로 따르는 손 모양의 3D 이미지입니다.

좋은 실을 짜다

Servati와 그의 동료들은 웨어러블 섬유 센서에 사용되는 재료의 성능 정확도를 향상시키는 나선형 센서 원사라는 특수 섬유를 개발했습니다. 이 신축성 있는 실은 나선형 형태의 금속 코팅 나노섬유로 감싼 탄성 코어로 구성됩니다. 폴리머 매트릭스와 엘라스토머 쉘이 구조를 서로 결합하여 내구성, 동적 범위 및 인장 강도를 제공합니다. 외부 신장/압력 해제 주기는 서로 결합된 금속 나노섬유의 접촉 면적을 변경하여 전기 저항을 변화시킵니다. 이 원사를 나일론-폴리에스테르-스판덱스 두 겹 사이에 꿰매어 스마트 장갑을 만들었습니다.

모션 캡처 카메라 시스템을 사용하여 연구원들은 서로 다른 손 크기를 가진 16명의 참가자의 손 움직임을 XNUMX만 프레임 이상 수집했습니다. 그들은 XNUMX개 지점에 눈에 보이는 라벨이 표시된 스마트 장갑을 착용하고 있었습니다. 참가자들은 물건을 잡고, 제스처를 전환하고, 손가락을 무작위로 움직였습니다. 신경망 아키텍처는 가시 이미지를 동시에 수집된 센서 데이터에 매핑하여 센서 원사로 측정된 변형 데이터에서 손 관절 각도와 촉각 정보를 추정하는 기계 학습 모델을 만들었습니다.

“손과 손가락의 능숙한 움직임을 정확하게 포착하는 것은 매우 어려운 작업입니다. 현재의 카메라 기반 시스템은 비용이 많이 들고 시야가 제한된 문제를 안고 있습니다.”라고 Servati는 말합니다. 장갑은 이동 중에 최소한의 지연으로 손가락과 손목의 각도를 추정할 수 있는 시장에서 가장 정확한 디자인입니다. 이는 표준 카메라 장비의 정확도와 일치합니다.

장갑을 착용한 피험자들은 또한 장갑이 일상 작업과 관련된 특정 움직임을 포착할 때 어떻게 수행되는지 테스트했습니다. 이 장치는 임의의 표면에서 여러 손가락의 움직임으로 "입력된" 단어를 98%의 정확도로 감지할 수 있었습니다. 미국 수화를 적용한 100개의 정적 및 동적 제스처를 95%의 정확도로 추정했습니다. 또한 손의 쥐는 모양과 힘을 통해 머그잔, 안경, 야구공, 테니스 공 등 34개의 물체를 98%의 정확도로 감지했습니다.

헹구고, 씻고, 반복하세요

장갑의 한 가지 용도는 뇌졸중과 부분적인 손 이동성을 잃은 환자를 돕는 것입니다. 등의 임상 전문가와 협력 재니스 잉UBC 의학부에서 뇌졸중 재활을 전문으로 하는 Servati와 그의 팀은 많은 환자들이 손의 움직임과 잡는 힘을 평가하기 위한 정확한 방법이 필요하다는 것을 발견했습니다. 이러한 평가를 원격으로 수행하고 운동 루틴을 수정하거나 준수 여부를 평가하는 것도 파킨슨병 및 기타 손 이동성 문제가 있는 환자에게 도움이 될 수 있습니다.

Servati는 "이것은 진료소에서도 수행하기 매우 어렵고 정확하고 원격으로 수행할 수 있는 방법은 없습니다."라고 말합니다.

센서로 덮인 장갑은 더 나은 의수로 이어질 수 있습니다

웨어러블 장치는 임상 작업에 매력적이지만 많은 디자인에는 실제 사용에 필요한 신뢰성, 정확성 및 세척성이 부족합니다. 물과 세제에 담그고 섞는 것을 반복하고 기계 세탁 주기를 반복한 후에도 Servati 장갑의 센서 성능 변화는 10% 미만이었습니다.

Servati는 "인간과 컴퓨터의 상호 작용에 큰 도약을 가져올 수 있고 카메라 없이 물체와의 상호 작용을 정확하게 표현할 수 있는 내구성 있고 세척 가능한 형태로 이 기술을 개발하는 것은 정말 흥미로운 일입니다."라고 말합니다.

수브라마니안 순다람이번 연구에 참여하지 않은 보스턴 대학교 생물학 디자인 센터의 연구원은 일상적인 사용 조건에서 이러한 섬유의 기능이 어떻게 변화하는지 연구하는 것이 사람들이 반복적으로 사용할 수 있는 신뢰할 수 있는 직물을 만들기 위한 "올바른 집중 방향"이라고 말합니다. . 관절 각도의 정량적 오류 추정은 잠재적인 의료 응용 분야에서 중요한 고려 사항이지만, 그는 그러한 응용이 아직 멀었다고 믿습니다. “이 작업에만 국한된 것이 아닌 핵심 과제는 이러한 유형의 기술이 절실히 필요한 특정 설정을 결정하는 것입니다.”라고 그는 말합니다.

작업은 자연 기계 지능.

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