韓國首爾國立大學(xué)和韓國高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究院(KAIST)的研究人員最近開發(fā)出了一種可以作為電子皮膚的傳感器，并將其與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成在一起。這種深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)的電子皮膚系統(tǒng)發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)上的一篇論文中，它可以從遠(yuǎn)處捕捉到人類的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，比如手指的快速運(yùn)動(dòng)。

這套新系統(tǒng)源于機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的專家們的跨學(xué)科合作。領(lǐng)導(dǎo)最近這項(xiàng)研究的兩位研究人員是Soul國立大學(xué)的機(jī)械工程教授Seung Hwan Ko和KAIST的計(jì)算機(jī)教授Sungho Jo。

幾年來，Ko教授一直試圖通過使用激光技術(shù)在金屬納米粒子薄膜上產(chǎn)生裂紋來開發(fā)高靈敏度的應(yīng)變傳感器。然后將產(chǎn)生的傳感器陣列應(yīng)用到一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)手套上，設(shè)計(jì)用于檢測(cè)人的手指運(yùn)動(dòng)。

"我的實(shí)驗(yàn)室通常使用至少5到10個(gè)應(yīng)變傳感器來預(yù)測(cè)精確的手部運(yùn)動(dòng)(每個(gè)手指至少要有1到2個(gè)傳感器)，因?yàn)殡S著目標(biāo)系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，所需的應(yīng)變傳感器的數(shù)量也會(huì)增加。"Ko教授說。"幾年前，我開始問自己以下問題。我們是否可以只用一個(gè)應(yīng)變傳感器而不是用許多傳感器來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)手部運(yùn)動(dòng)?最初，這似乎是個(gè)很笨的問題，因?yàn)閹缀醪豢赡芊直娉鰬?yīng)變傳感器的信號(hào)來自哪個(gè)手指。"

當(dāng)Ko教授試圖開發(fā)一種能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)人的手部動(dòng)作的單一應(yīng)變傳感器時(shí)，Jo教授正在研究將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與最先進(jìn)的傳感器進(jìn)行整合的策略。Jo教授認(rèn)為，即使這些信號(hào)是由單個(gè)傳感器檢測(cè)到的，也可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)分析人們手指運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的連續(xù)傳感器模式。

"我們意識(shí)到，如果我們能夠利用機(jī)器學(xué)習(xí)來利用這些模式，就可以清楚地解耦單個(gè)傳感器觀察到的多種不同行為，"Jo教授說。"經(jīng)過密切的合作，我們能夠開發(fā)出一種單一的深度學(xué)習(xí)傳感器，可以預(yù)測(cè)復(fù)雜的手部動(dòng)作。"

當(dāng)安裝在用戶的手腕上時(shí)，Ko教授、Jo教授和他們的同事們開發(fā)的傳感器可以檢測(cè)到用戶手部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)，同時(shí)還能識(shí)別這些信號(hào)來自哪個(gè)手指。與更多傳統(tǒng)的電子皮系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)的電子皮系統(tǒng)需要每個(gè)手指至少有一個(gè)傳感器才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)一個(gè)人的手部動(dòng)作，而新的深度學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的傳感器在單獨(dú)使用時(shí)也能很好地工作。

"傳統(tǒng)的電子皮膚至少需要5到10個(gè)應(yīng)變傳感器才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)手部動(dòng)作，隨著目標(biāo)系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，所需的應(yīng)變傳感器數(shù)量也會(huì)增加，"Ko教授說。"另一方面，我們開發(fā)的深度學(xué)習(xí)型電子皮膚傳感器，只需一個(gè)傳感器就能完成這項(xiàng)工作。"

研究人員沒有簡(jiǎn)單地用更傳統(tǒng)的方法對(duì)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行擬合，而是利用深度學(xué)習(xí)模型來分析信號(hào)模式隨時(shí)間的變化，并最終揭開收集到的數(shù)據(jù)背后的手指運(yùn)動(dòng)。從本質(zhì)上說，Ko教授、Jo教授和他們的同事證明，當(dāng)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合時(shí)，單個(gè)傳感器可以獲得與多個(gè)傳感器相媲美的結(jié)果。

"我們的結(jié)果意味著，我們可以用較少的傳感器數(shù)量來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的檢測(cè)，"Jo教授說。"這將極大地簡(jiǎn)化需要傳感器進(jìn)行復(fù)雜檢測(cè)的系統(tǒng)。我們還預(yù)計(jì)，新的方法將促進(jìn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的間接遠(yuǎn)程測(cè)量，適用于可穿戴式VR/AR系統(tǒng)。"

在最初的評(píng)估中，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的e-skin系統(tǒng)取得了非常好的結(jié)果，成功地實(shí)時(shí)檢測(cè)和解碼復(fù)雜的手指運(yùn)動(dòng)，同時(shí)無論其在用戶手腕上的位置如何，都能穩(wěn)定地運(yùn)行。在未來，該傳感器可能會(huì)有很多有趣的應(yīng)用，包括機(jī)器人和可穿戴設(shè)備(如健身追蹤器)的開發(fā)。有趣的是，當(dāng)放置在用戶的骨盆上時(shí)，同樣的系統(tǒng)還可以解碼步態(tài)運(yùn)動(dòng)(即行走方式)，因此可以用來制造小型高效的運(yùn)動(dòng)追蹤設(shè)備。

"在這項(xiàng)研究中，我們使用機(jī)器學(xué)習(xí)傳感器來解碼手部運(yùn)動(dòng)。"Ko教授說。"不過，在不久的將來，我們計(jì)劃在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的身體運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，比如腿部、手臂，甚至可能是整個(gè)身體的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)。"