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動仍然充滿挑戰(zhàn)。由于人體關(guān)節(jié)的靈活性，人體的運動往往十分復(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)志在做實驗（來源：李昕明團隊）

近日，華南師范大學(xué)李昕明研究員團隊與合作者開發(fā)了一種可用于運動捕捉的可穿戴柔性傳感器件，通過感知真實物理運動引起的表面形變場變化，來準(zhǔn)確還原復(fù)雜運動。

(資料圖片)

他們提出了一種基于空間分布差分的傳感器件設(shè)計，能夠?qū)⑦\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)確還原運動行為?；谠撛O(shè)計，即便對于手腕等高自由度的關(guān)節(jié)，也可以實現(xiàn)三維空間內(nèi)的運動識別。

圖丨相關(guān)論文（來源：Applied Physics Reviews）

近日，相關(guān)論文以《通過機器學(xué)習(xí)進行分類和動覺信息解耦的同質(zhì)傳感器的差異設(shè)計》（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，該團隊所開發(fā)的可穿戴柔性傳感器件通過采集跟隨運動變形產(chǎn)生的傳感器電信號變化，來實現(xiàn)對佩戴者的運動捕捉，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，并增強運動捕捉在不同場景下的魯棒性?！崩铌棵髡f。

然而，柔性傳感器件在運動捕捉領(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，由于真實運動場景的復(fù)雜性，柔性傳感器件在實際運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驗室走入到人們的日常生活。

在該研究中，研究團隊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，基于實際場景中的需求，對傳感器功能和設(shè)計提出要求和改進。

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。研究人員通過對運動形變引起的應(yīng)變場變化分析，設(shè)計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，便實現(xiàn)了對于多種復(fù)合形變的準(zhǔn)確解耦?！斑@也體現(xiàn)了智能傳感系統(tǒng)的‘化繁為簡’的設(shè)計思想?！崩铌棵鞅硎尽?/p>

該團隊遇到的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，是如何理解和復(fù)現(xiàn)實際運動引起的形變。實際上，人體皮膚的運動變形十分復(fù)雜，并且人體的運動的重復(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，并通過實驗室中的標(biāo)準(zhǔn)化測試加以模擬和復(fù)現(xiàn)，成為了研究團隊研究形變的主要方案。

結(jié)合力學(xué)分析方法，他們將實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)計的標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)合形變施加、測量系統(tǒng)。該團隊通過該系統(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)用到實際場景。

該團隊表示，希望通過該研究進一步啟發(fā)更多應(yīng)用導(dǎo)向的傳感設(shè)計，并通過物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計，降低傳感系統(tǒng)本身在集成上的復(fù)雜度?；谠撛O(shè)計理念，可穿戴柔性電子未來或許能夠進一步小型化、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際應(yīng)用。

圖丨對運動形變的理解、設(shè)計與解耦（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物之間的物理聯(lián)系基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)人機交互的感知器件與應(yīng)用系統(tǒng)，實現(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?！崩铌棵鞅硎尽?/p>

未來，該課題組計劃繼續(xù)立足于器件設(shè)計與系統(tǒng)實現(xiàn)，通過柔性與可穿戴傳感器的設(shè)計，進一步加深對人類觸覺與感知的理解，實現(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，也將進一步推進相關(guān)感知器件與系統(tǒng)在實際應(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

關(guān)鍵詞：