Pametne rokavice sledijo gibom roke z neverjetno natančnostjo – Physics World

Pametne rokavice sledijo gibom roke z neverjetno natančnostjo – Physics World

Časovni žig: 6. februar 2024 4

Senzorska rokavica
Priročen izum: Peyman Servati (levo) iz UBC in Arvin Tashakori razkazujeta svoje pametne rokavice. (Z dovoljenjem: Lou Bosshart/Odnosi z mediji UBC)

Raziskovalci na kanadski univerzi British Columbia (UBC) in Texavie Technologies. Pralna naprava je vdelana s posameznimi senzorskimi vlakni, ki se odzivajo na drobne spremembe v raztezanju in pritisku materiala. Senzorji brezžično prenašajo te informacije v algoritem strojnega učenja, ki skoraj takoj oceni natančne premike lestvice.

Poleg daljinskega zajemanja dinamike in zagotavljanja informacij o tem, kako roke medsebojno delujejo s predmeti za robotiko in virtualno resničnost, rokavica ponuja orodje za ocenjevanje udarca in gibov rok ter prijemalnih sil drugih bolnikov. Takšne ocene lahko pomagajo bolnikom, da prejmejo povratne informacije o tem, na katere gibe se morajo osredotočiti, da bi izboljšali funkcijo gibljivosti rok.

V novem dizajnu, ki ga je ustvaril Peyman Servati in njegove ekipe so številna po meri izdelana vlaknasta senzorja všita v raztegljivo tkanino rokavice na točkah, ki prekrivajo sklepe prstov, konice prstov, zapestje in dlan. Premiki v sklepih ali pritisk, ki ga povzroči interakcija roke s predmetom, ustvarjajo raztezek v tkanini. Senzorji lahko zaznajo raztezke od 0.005 % do 155 % njihove prvotne dolžine. Vsi ti senzorji, povezani preko raztegljivih konektorjev z brezžično ploščo za obdelavo na hrbtni strani rokavice, posredujejo podatke v algoritem, ki oceni kote sklepov z natančnostjo 1.4°. Rezultat je 3D slika oblike roke, ki dinamično sledi gibom uporabnika rokavice.

Tkanje dobre preje

Servati in njegovi kolegi so razvili posebna vlakna, imenovana spiralna senzorska preja, ki izboljšujejo natančnost delovanja materialov, uporabljenih v nosljivih tekstilnih senzorjih. Ta raztegljiva preja je sestavljena iz elastičnega jedra, ovitega s kovinsko prevlečenimi nanovlakni v spiralni obliki. Polimerna matrika in elastomerna lupina povezujeta strukturo skupaj, kar zagotavlja vzdržljivost, dinamični razpon in natezno trdnost. Zunanji cikli raztezanja/sproščanja pritiska spremenijo kontaktno površino skupaj povezanih kovinskih nanovlaken, kar povzroči spremembe v njihovem električnem uporu. Te preje so bile všite med dve plasti najlona, ​​poliestra in spandeksa, da bi naredili pametne rokavice.

Z uporabo sistemov kamer za zajem gibanja so raziskovalci zbrali več kot tri milijone sličic gibanja rok petih udeležencev z različnimi velikostmi rok. Nosili so pametne rokavice, ki so bile označene z vidnimi nalepkami na 16 točkah. Udeleženci so prijemali predmete, preklapljali med kretnjami in naključno premikali prste. Arhitektura nevronske mreže je preslikala vidne slike v istočasno zbrane podatke senzorjev, kar je povzročilo model strojnega učenja, ki je ocenil kote sklepov roke in informacije o otipu iz podatkov o deformacijah, izmerjenih s senzorskimi nitmi.

»Natančno zajeti spretne gibe rok in prstov je zelo težka naloga. Trenutni sistemi, ki temeljijo na kameri, so dragi in imajo težave z omejenim vidnim poljem,« pravi Servati. Rokavica je najbolj natančen dizajn na trgu za ocenjevanje kotov prstov in zapestja med gibanjem z minimalno zamudo. Ujema se z natančnostjo opreme za fotoaparat z zlatim standardom.

Preiskovanci, ki so nosili rokavico, so preizkusili tudi, kako se rokavica obnese pri zajemanju določenih gibov, povezanih z vsakodnevnimi opravili. Naprava je z 98-odstotno natančnostjo zaznala besede, »natipkane« z gibi več prstov na naključni površini; ocenil je 100 statičnih in dinamičnih kretenj, prirejenih iz ameriškega znakovnega jezika, s 95-odstotno natančnostjo. Zaznal je tudi 34 predmetov – vključno s skodelicami, kozarci, žogicami za baseball in teniškimi žogicami – glede na obliko in sile roke z 98-odstotno natančnostjo.

Izperite, operite, ponovite

Ena od možnosti uporabe rokavice je lahko pomoč pri možganski kapi in bolnikih, ki so izgubili delno gibljivost rok. Delo s kliničnimi strokovnjaki, vključno z Janice inž, ki je specializiran za rehabilitacijo po možganski kapi na oddelku za medicino UBC, je Servati in njegova ekipa ugotovila, da mnogi bolniki potrebujejo natančen način za oceno svojih gibov rok in prijemalnih sil. Izvajanje teh ocen na daljavo in spreminjanje vadbenih rutin ali ocenjevanje skladnosti bi lahko prav tako pomagalo bolnikom s Parkinsonovo boleznijo in drugimi težavami z mobilnostjo rok.

"To je zelo težko narediti celo na kliniki in nič ne obstaja, da bi to naredili natančno in na daljavo," pravi Servati.

Nosljive naprave so privlačne za klinične naloge, vendar mnogim oblikam primanjkuje zanesljivosti, natančnosti in možnosti pranja, ki so potrebni za praktično uporabo. Po večkratnem namakanju in mešanju v vodi in detergentih ter po ponavljajočih se ciklih pranja v stroju je Servatijeva rokavica doživela manj kot 10-odstotno spremembo delovanja senzorja.

"Zelo vznemirljivo je razviti to tehnologijo v trpežni in pralni obliki, ki lahko ustvari velik preskok v interakciji med človekom in računalnikom ter možnost natančne predstavitve interakcije s predmeti brez potrebe po kameri," pravi Servati.

Subramanian Sundaram, raziskovalec v Centru za biološko oblikovanje Univerze v Bostonu, ki ni bil vključen v študijo, pravi, da je preučevanje, kako se funkcionalnost teh vlaken spreminja v pogojih vsakodnevne uporabe, »prava smer, na katero se je treba osredotočiti« za ustvarjanje zanesljivih tekstilij, ki jih bodo ljudje lahko uporabljali večkrat. . Čeprav so ocene kvantitativne napake sklepnih kotov pomemben vidik za morebitne medicinske aplikacije, meni, da so takšne aplikacije še daleč. "Ključni izziv, ki ni edinstven za to delo, je določitev posebnih nastavitev, kjer je ta vrsta tehnologije nujno potrebna," pravi.

Delo je opisano v Narava strojne inteligence.

Časovni žig:

Več od Svet fizike