近年來，隨著可穿戴柔性傳感器技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍越來越廣。但是，通過可穿戴柔性傳感器捕捉人體運(yùn)動仍然充滿挑戰(zhàn)。由于人體關(guān)節(jié)的靈活性，人體的運(yùn)動往往十分復(fù)雜，因此對動作捕捉設(shè)備提出了更高的要求。
圖丨周遠(yuǎn)志在做實(shí)驗(yàn)（來源：李昕明團(tuán)隊(duì)）
近日，華南師范大學(xué)李昕明研究員團(tuán)隊(duì)與合作者開發(fā)了一種可用于運(yùn)動捕捉的可穿戴柔性傳感器件，通過感知真實(shí)物理運(yùn)動引起的表面形變場變化，來準(zhǔn)確還原復(fù)雜運(yùn)動。
他們提出了一種基于空間分布差分的傳感器件設(shè)計(jì)，能夠?qū)⑦\(yùn)動引起的表面形變場解耦為多個基礎(chǔ)形變的組合，從而準(zhǔn)確還原運(yùn)動行為�；谠撛O(shè)計(jì)，即便對于手腕等高自由度的關(guān)節(jié)，也可以實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)的運(yùn)動識別。
圖丨相關(guān)論文（來源：Applied Physics Reviews）
近日，相關(guān)論文以《通過機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行分類和動覺信息解耦的同質(zhì)傳感器的差異設(shè)計(jì)》（Differential design in homogenous sensors for classification and decoupling kinesthetic information through machine learning）為題發(fā)布在 Applied Physics Reviews 上[1]，并被編輯推薦為期刊推薦論文（ Featured Article）。
華南師范大學(xué)碩士研究生周遠(yuǎn)志為論文第一作者，李昕明研究員為論文通訊作者。
圖丨傳感結(jié)構(gòu)示意圖、實(shí)物圖及側(cè)視圖（來源：Applied Physics Reviews）
不同于已商用的基于光學(xué)的動作捕捉方案，該團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的可穿戴柔性傳感器件通過采集跟隨運(yùn)動變形產(chǎn)生的傳感器電信號變化，來實(shí)現(xiàn)對佩戴者的運(yùn)動捕捉，其傳感的準(zhǔn)確性不會受限于場地和遮擋。
“因此，可穿戴式柔性傳感器件有望于拓展動作捕捉的場景，并增強(qiáng)運(yùn)動捕捉在不同場景下的魯棒性。”李昕明說。
然而，柔性傳感器件在運(yùn)動捕捉領(lǐng)域應(yīng)用的局限性在于，其信號并不直接反映運(yùn)動。當(dāng)柔性傳感器件穿戴在人體表面時，它的傳感信號其實(shí)反映的是與柔性傳感器貼合的皮膚發(fā)生的變形程度。
盡管皮膚的變形由運(yùn)動引起，但是也受到諸多其他因素的影響。周遠(yuǎn)志舉例說道：“比如不同的人（老人和孩子），由于他們的體型身材有差異，即使是做同樣的動作，他們的皮膚形變也會不一樣。除此之外，佩戴位置的差異也可能導(dǎo)致測量到的皮膚形變的差異。”
總體來說，由于真實(shí)運(yùn)動場景的復(fù)雜性，柔性傳感器件在實(shí)際運(yùn)動捕捉場景中面臨著諸多潛在的影響因素，而這些影響因素極大地制約了柔性傳感器件真正地從實(shí)驗(yàn)室走入到人們的日常生活。
在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)重新審視了穿戴式柔性傳感器在動作捕捉過程中信息傳遞的過程，基于實(shí)際場景中的需求，對傳感器功能和設(shè)計(jì)提出要求和改進(jìn)。
值得關(guān)注的是，該傳感器件僅由兩個相同的傳感單元組成。研究人員通過對運(yùn)動形變引起的應(yīng)變場變化分析，設(shè)計(jì)了傳感單元的空間位置關(guān)系及電學(xué)響應(yīng)形式，最終僅通過兩個傳感單元，便實(shí)現(xiàn)了對于多種復(fù)合形變的準(zhǔn)確解耦。“這也體現(xiàn)了智能傳感系統(tǒng)的‘化繁為簡’的設(shè)計(jì)思想。”李昕明表示。
該團(tuán)隊(duì)遇到的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，是如何理解和復(fù)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)動引起的形變。實(shí)際上，人體皮膚的運(yùn)動變形十分復(fù)雜，并且人體的運(yùn)動的重復(fù)精度不高，在測量上，皮膚形變的測量也是十分具有挑戰(zhàn)性的課題之一。
因此，如何提取皮膚形變中的關(guān)鍵特征，并通過實(shí)驗(yàn)室中的標(biāo)準(zhǔn)化測試加以模擬和復(fù)現(xiàn)，成為了研究團(tuán)隊(duì)研究形變的主要方案。
結(jié)合力學(xué)分析方法，他們將實(shí)際生活中的形變分解為多個基本形變的疊加，并構(gòu)建了一套自主設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)合形變施加、測量系統(tǒng)。該團(tuán)隊(duì)通過該系統(tǒng)研究了器件對于復(fù)合形變的解耦能力，最終將這種能力應(yīng)用到實(shí)際場景。
該團(tuán)隊(duì)表示，希望通過該研究進(jìn)一步啟發(fā)更多應(yīng)用導(dǎo)向的傳感設(shè)計(jì)，并通過物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，降低傳感系統(tǒng)本身在集成上的復(fù)雜度�；谠撛O(shè)計(jì)理念，可穿戴柔性電子未來或許能夠進(jìn)一步小型化、便攜化的同時，也能保證高精度的傳感能力，這將有利于可穿戴柔性傳感器件的實(shí)際應(yīng)用。
圖丨對運(yùn)動形變的理解、設(shè)計(jì)與解耦（來源：Applied Physics Reviews）
李昕明課題組的主要研究方向是在深刻理解人機(jī)物之間的物理聯(lián)系基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的感知器件與應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對信息的采集、處理與解釋。
在生理學(xué)上，觸覺被描述為動覺與壓覺兩種感覺形式。在這次的研究中，主要著眼于動覺的討論，“而在壓覺方向，我們也開展了基于視觸覺的壓覺感知系統(tǒng)方面的研究，用于模擬和解釋人類的觸摸行為。”李昕明表示。
未來，該課題組計(jì)劃繼續(xù)立足于器件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過柔性與可穿戴傳感器的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深對人類觸覺與感知的理解，實(shí)現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界的智能交互。
一方面，他們將積極推動相關(guān)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化；另一方面，通過對觸覺行為的物理模型和信息轉(zhuǎn)換的分析，也將進(jìn)一步推進(jìn)相關(guān)感知器件與系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用場景中更可靠、更準(zhǔn)確地發(fā)展。
參考資料：
1.Yuanzhi Zhou et al. Applied Physics Reviews 10, 021407 (2023) https://doi.org/10.1063/5.0144956
