工程师创造了一个微小的线程,从而识别如何以及当你实时移动的方式

涂有导电碳墨水的螺纹

扫描电子显微镜碳涂层螺纹。左侧的直线。弯曲涂层的线程会产生应变(右),其改变它们的电导率 - 可以用于计算变形程度的量(秤杆200微米)。信贷:义文江,塔夫茨大学

工程师创建了可以连接到皮肤的螺纹传感器,以实时测量运动,具有跟踪健康和性能的潜在影响。

塔夫茨大学的工程师已经创建和展示了柔性基于螺纹的传感器,可以测量颈部的运动,在方向,旋转角度和头部位移程度上提供数据。该发现提高了薄,不起眼的纹身样贴片的潜力,可以根据塔夫茨团队测量运动性能,监控工人或司机疲劳,协助物理治疗,增强虚拟现实游戏和系统,并改善计算机生成的图像在电影摄影。这项技术今天(1月29日)中描述了科学报告,增加了簇绒工程师开发的越来越多的基于螺纹的传感器,这些传感器可以编织成纺织品,测量环境中的气体和化学品或汗液中的代谢物。

在他们的实验中,研究人员在受试者颈部背面的“x”图案中放置了两个线程。涂有导电碳基墨水,传感器在螺纹弯曲时检测运动,产生改变电力方式的应变。当受试者执行一系列头部运动时,导线向小型蓝牙模块发送信号,然后将数据无线传输到计算机或智能手机进行分析。

93%的数据分析使用了复杂的机器学习方法来解释信号,并将其实时转换为头部运动的定量数据准确性。以这种方式,传感器和处理器跟踪运动而不会从电线,庞大的设备或限制条件(例如使用相机)或限制到房间或实验室空间的限制条件。

虽然需要专门用于身体上每个位置的算法,但原理的证明证明了螺纹传感器可根据研究人员使用螺纹传感器来测量其他四肢的运动。含有螺纹的皮肤贴片或甚至形成螺纹的配合衣物可用于跟踪在测量最相关的环境中的运动,例如在现场,工作场所或教室中。不需要相机的事实提供了额外的隐私。

“这是我们如何以非侵入性方式监测我们的健康,表现和环境的传感器的有希望的演示,”塔夫茨大学工程学院的本科生义文江泽民义文江泽民说。“需要做更多的工作来提高传感器的范围和精度,这可能意味着从规则间隔或布置的更大阵列的阵列中收集数据,以及显影算法,提高铰接式运动的量化。”

其他类型的可穿戴运动传感器设计包括3轴陀螺仪,加速度计和磁力计,以检测主体与周围环境的运动。这些传感器基于惯性测量 - 量化身体如何加速,旋转或向下移动 - 往往是笨重和更不方便的。例如,对于其他系统,为了测量头部运动,必须将一个传感器放置在椎间上方的颈部上。设备的突出放置可能会干扰受试者的自由运动,或者只是简单地提供没有意识到测量的便利性。

对于运动场等的情况,基于新的基于线程的传感器范例可以是游戏更换器。通过将薄纹身状的贴片放在不同的关节上,运动员可以携带运动传感器来检测其物理运动和形式,而塔夫茨团队早期工作的基于螺纹的汗水传感器也可能追踪其电解质,乳液和乳液汗水中表现的其他生物学标记。

在道路上,一个螺纹传感器贴片可以提醒卡车司机疲劳或其他情况下,跟踪操作员的警惕性是至关重要的,监测某人即将入睡的头部运动。

“如果我们可以进一步接受这项技术,也可能在医疗保健中有广泛的应用,”江泽民说。“例如,研究帕金森病和其他神经肌肉疾病的研究也可能跟踪他们正常环境中受试者的运动,并每日生活在其条件和治疗的有效性上收集数据。”

“The objective in creating thread-based sensors is to make them ‘disappear’ as far as the person wearing them is concerned,” said Sameer Sonkusale, professor of electrical and computer engineering at Tufts’ School of Engineering, director of the Tufts Nanolab, and corresponding author of the study. “Creating a coated thread capable of measuring movement is a remarkable achievement, made even more notable by the fact that Yiwen developed this invention as an undergraduate. We look forward to refining the technology and exploring its many possibilities.”

参考:“使用基于线程传感器和机器学习算法的头部运动分类”由义文江,艾丁·斯莱德,埃里克·米勒和同龄22月2021年1月29日,科学报告
DOI:10.1038 / S41598-021-81284-7

资金:国家科学基金会,美国陆军作战能力发展指挥士兵中心

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