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新國(guó)大蘇研院李正國(guó)教授團(tuán)隊(duì)研究成果在國(guó)際頂尖期刊《自然》子刊雜志發(fā)表


新加坡國(guó)立大學(xué)蘇州研究院(以下簡(jiǎn)稱“新國(guó)大蘇研院”)李正國(guó)(Chengkuo Lee)教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》(《Nature Communications》)上發(fā)表科研成果。李教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一個(gè)新型智能地板檢測(cè)系統(tǒng),,該系統(tǒng)具有出色的位置感測(cè),、活動(dòng)監(jiān)控和身份識(shí)別功能,在智能建筑/家居的自動(dòng)化,、醫(yī)療保健,、安防等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。


研究背景

在面向智能家居,、智能建筑和智能城市的應(yīng)用中,,不同類型的傳感器可以被嵌入到地板內(nèi)組成監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),以獲取實(shí)時(shí),、多樣性的人與地板的交互信息,,比如位置信息、運(yùn)動(dòng)狀態(tài),、行走時(shí)間等,。和傳統(tǒng)的影像監(jiān)控相比,這種基于地板傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)避免了影像所帶來(lái)的隱私顧慮,。然而過(guò)去所開發(fā)的地板傳感器在實(shí)際應(yīng)用中通常存在實(shí)施成本高,、監(jiān)測(cè)范圍小、可擴(kuò)展性低,、能量功耗大,、大型陣列的系統(tǒng)復(fù)雜度高等局限性。同時(shí),,傳統(tǒng)傳感器的數(shù)據(jù)分析方法通常是基于監(jiān)測(cè)信號(hào)的幅度或者頻率,,這極可能會(huì)丟失一些隱藏于監(jiān)測(cè)信號(hào)中的重要信息,,比如步態(tài)特征以及其所蘊(yùn)含的身份信息。因此,,整合現(xiàn)有的技術(shù)開發(fā)出一個(gè)具有高擴(kuò)展性,、低成本、低能耗,、低系統(tǒng)復(fù)雜度和優(yōu)異信號(hào)分析能力的地板監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于智能家居,、智能建筑和智能城市的應(yīng)用具有重要意義。


研究思路

從2012年摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的發(fā)明開始,,該技術(shù)逐漸在微納能源,、自驅(qū)動(dòng)傳感、藍(lán)色能源和高壓電源的領(lǐng)域中展現(xiàn)了空前的應(yīng)用前景,。其原理是通過(guò)摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng),,有效地將外界的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào),具有成本效益高,、制作簡(jiǎn)易和材料選擇性廣等優(yōu)點(diǎn),。摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)使得它能夠與各種制造技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模,、低成本和自供電的地板傳感器,。與此同時(shí),在過(guò)去幾年中我們見證了人工智能(如機(jī)器學(xué)習(xí)等)的蓬勃發(fā)展以及其在數(shù)據(jù)分析中的杰出能力(如提取隱藏于傳感器信號(hào)中的各種信息),。所以,,為了實(shí)現(xiàn)以上所需的地板監(jiān)控系統(tǒng),一個(gè)重要的思路就是整合摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù),、大規(guī)模的制造技術(shù)和人工智能技術(shù),。


研究結(jié)果

根據(jù)這樣的研究思路,李正國(guó)教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)整合自供電的TENG傳感技術(shù),、大規(guī)模的絲網(wǎng)印刷技術(shù)以及深度學(xué)習(xí)輔助的數(shù)據(jù)分析技術(shù),,開發(fā)出了一個(gè)新型的智能地板監(jiān)控系統(tǒng)(見圖1)。其中絲網(wǎng)印刷技術(shù)和TENG傳感技術(shù)的結(jié)合為地板監(jiān)控提供了一個(gè)大面積,、低成本和自供電的解決方案,。同時(shí),每一片智能地毯都具有獨(dú)特的電極圖案和信號(hào)輸出,,使得他們可以在構(gòu)建的地毯陣列中并聯(lián)連接,,從而極大簡(jiǎn)化了信號(hào)采集接口和整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度。


圖1:基于深度學(xué)習(xí)的智能地板監(jiān)控系統(tǒng):應(yīng)用場(chǎng)景展示,,包括位置感應(yīng),、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和身份識(shí)別等;智能地毯陣列的三維示意圖和數(shù)據(jù)采集以及分析的流程圖,。圖片來(lái)源:Nat. Commun.


通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)地分析,,可以得到使用者在智能地毯陣列上的行走位置,、行走時(shí)間和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此外,,通過(guò)訓(xùn)練后的深度學(xué)習(xí)模型對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)的分析,,使用者的身份信息也可以由其獨(dú)特的行走步態(tài)來(lái)辨別。在實(shí)際應(yīng)用中,,這些監(jiān)測(cè)到的位置信息和身份信息可以用來(lái)自動(dòng)控制相應(yīng)位置的照明和對(duì)應(yīng)房間的門禁(見圖2),,從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用地板的智能監(jiān)控,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能家居和智能建筑提供新的方向,。


圖2:智能地板監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用展示,。(a)用于身份識(shí)別的深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型。(b-d)智能地板監(jiān)控系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)展示:當(dāng)使用者在位置1時(shí),,此時(shí)的輸出信號(hào)用來(lái)自動(dòng)控制燈1的照明,;當(dāng)使用者在位置2時(shí),此時(shí)的輸出信號(hào)用來(lái)自動(dòng)控制燈2的照明,;當(dāng)使用者走過(guò)地毯陣列到達(dá)位置3時(shí),,深度學(xué)習(xí)模型分析步態(tài)信息進(jìn)行身份識(shí)別,進(jìn)而自動(dòng)控制相應(yīng)房間的門禁,。圖片來(lái)源:Nat. Commun.


新國(guó)大蘇研院的科研工作聚焦前沿技術(shù),與產(chǎn)業(yè)發(fā)展強(qiáng)關(guān)聯(lián),,與蘇州工業(yè)園區(qū)及地方科技深融入,,開展原創(chuàng)性、應(yīng)用性研究,,已建立環(huán)境與能源納米科技,、先進(jìn)智慧醫(yī)療技術(shù)、大健康生物與食品工程,、人工智能研發(fā)與育成卓越研究中心,,旨在通過(guò)產(chǎn)業(yè)化用科技賦能區(qū)域創(chuàng)新升級(jí)。目前,,研究院承擔(dān)各項(xiàng)科研項(xiàng)目100余項(xiàng),,在國(guó)際著名期刊發(fā)表了700余篇有影響力的科研論文,其中1篇發(fā)表在Nature母刊,,9篇發(fā)表在Nature子刊,。