外骨骼傳感系統(tǒng)新突破！新國大蘇研院李正國團(tuán)隊在《Nature》子刊發(fā)表科研成果
2021-05-27 新聞 瀏覽
近日，新加坡國立大學(xué)蘇州研究院（以下簡稱“新國大蘇研院”）智慧醫(yī)療技術(shù)卓越研究中心高級研究員李正國團(tuán)隊在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》（《Nature Communications》）上發(fā)表科研成果。李正國團(tuán)隊成功研發(fā)了一種基于摩擦式雙向傳感器的外骨骼傳感系統(tǒng)，該傳感系統(tǒng)實現(xiàn)了雙向定量監(jiān)測，極大改善了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度，滿足了人體運動追蹤和人機交互控制對于低成本、低功耗的需求。
▲用于人機界面的外骨骼傳感系統(tǒng)示意圖
研究背景和研究思路
在5G和人工智能物聯(lián)網(wǎng)的推動下，機器人和VR/AR技術(shù)的進(jìn)步為我們的生活提供了更多便利和美好的體驗，同時對實現(xiàn)有效的人機交互控制和先進(jìn)的人機界面提出了更高要求。外骨骼機器人是一種新興的人機融合技術(shù)，在康復(fù)和輔助手術(shù)方面具有獨特優(yōu)勢，但常見的外骨骼傳感系統(tǒng)進(jìn)行多維人體運動的跟蹤時通常需要巨額成本和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。摩擦納米發(fā)電機作為成本效益高、制作工藝簡單的微納能源，為克服這一關(guān)鍵技術(shù)問題提供了很好的思路。受此啟發(fā)，李正國團(tuán)隊開展了基于摩擦納米發(fā)電傳感器的外骨骼傳感系統(tǒng)的研發(fā)工作。
技術(shù)亮點
該傳感系統(tǒng)采用一種具有高度通用性和兼容性的雙穩(wěn)態(tài)傳感設(shè)計，實現(xiàn)了對線性位移、旋轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)、彎曲等運動的雙向定量監(jiān)測，解決了多維運動傳感這一復(fù)雜過程的關(guān)鍵技術(shù)問題。傳感器主要結(jié)構(gòu)由負(fù)電性的柵格摩擦層、正電性的雙向擺錘開關(guān)和對應(yīng)的雙電極組成，不同運動引起的柵格滑移可帶動擺錘開關(guān)向?qū)?yīng)電極偏轉(zhuǎn)并接通傳感信號通道，由柵格摩擦引起的脈沖電壓信號即可轉(zhuǎn)化為可定量的運動傳感數(shù)據(jù)。通過針對肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)以及指關(guān)節(jié)的定制化設(shè)計，并集成到3D打印的外骨骼系統(tǒng)，該傳感單元可實現(xiàn)多自由度、多維度的雙向運動傳感。
▲基于外骨骼運動的自供電傳感系統(tǒng)的工作原理示意圖
▲肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)以及指關(guān)節(jié)的定制化設(shè)計，可以實現(xiàn)多自由度、多維度的雙向運動傳感
▲應(yīng)用于諸如機器人協(xié)同操控、虛擬環(huán)境、人體動力學(xué)分析等多種人機交互場景
同時，基于外骨骼系統(tǒng)和人體結(jié)構(gòu)的高度匹配特性，所采集的關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)通過對應(yīng)的人體動力學(xué)分析，還可以實現(xiàn)諸如拳速、力度等多種物理量的預(yù)測，進(jìn)一步簡化了對傳感器種類的要求以及多物理量傳感信號的復(fù)雜度，為實現(xiàn)低成本高效能的全身物理追蹤以及人機交互控制帶來了新的解決方案。
應(yīng)用場景
該項成果模擬了上肢外骨骼機器人的應(yīng)用場景，未來可為神經(jīng)肌肉損傷及關(guān)節(jié)創(chuàng)傷患者提供既安全又多樣化的康復(fù)運動訓(xùn)練，尤其對中風(fēng)患者具有重大意義。在極端環(huán)境下，也有望通過遠(yuǎn)程操控外骨骼機器人來提供醫(yī)療服務(wù)。此外，該項技術(shù)也可應(yīng)用于工業(yè)自動化、建模仿真等領(lǐng)域，助力物聯(lián)網(wǎng)和人工智能領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，從而賦能智慧城市的建設(shè)。
此前，李正國團(tuán)隊基于摩擦納米發(fā)電機傳感技術(shù)，還研發(fā)出可應(yīng)用于智能建筑及家居的自動化、醫(yī)療保健、安防等方面的新型智能地板檢測系統(tǒng)和面向未來無人工廠的智能軟體機器手系統(tǒng)，研究成果均在期刊《自然?通訊》發(fā)表。
新國大蘇研院的科研工作聚焦前沿技術(shù)，開展原創(chuàng)性、應(yīng)用性研究，與產(chǎn)業(yè)發(fā)展強關(guān)聯(lián)，與蘇州工業(yè)園區(qū)及地方科技深融入，已建立環(huán)境與能源納米科技、智慧醫(yī)療技術(shù)、大健康生物與食品工程等卓越研究中心。新國大蘇研院致力于推動科技成果轉(zhuǎn)化落地工作，希望通過研究產(chǎn)生有影響力的高科技創(chuàng)新產(chǎn)品，賦能地方產(chǎn)業(yè)升級。目前，研究院承擔(dān)各項科研項目100余項，在國際著名期刊發(fā)表了近800篇有影響力的科研論文，其中2篇發(fā)表在Nature母刊，13篇發(fā)表在Nature子刊。
