利用一種新穎的制造工藝，麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一種舒適、合身的智能面料，這種紡織品可以緊貼人體，因此它們可以感知穿著者的姿勢和動作，如行走、跑步和跳躍。
通過加入一種特殊類型的塑料紗線，并使用熱量稍微熔化它——這一過程被稱為熱成型——研究人員能夠大大提高織入多層針織紡織品的壓力傳感器的精度，他們稱之為3DKnITS。
他們利用這一過程創(chuàng)造了一種“智能”鞋和墊子，然后建立了一個(gè)硬件和軟件系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)測量和解釋來自壓力傳感器的數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)預(yù)測了一個(gè)人站在智能紡織墊上的動作和瑜伽姿勢，準(zhǔn)確率約為99%。
麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究助理、3DKnITS論文的主要作者Irmandy Wicaksono說，他們的制造過程利用了數(shù)字針織技術(shù)，能夠快速成型，并可以很容易地?cái)U(kuò)大規(guī)模進(jìn)行大規(guī)模制造。
這項(xiàng)技術(shù)可以有很多應(yīng)用，特別是在醫(yī)療保健和康復(fù)方面。例如，它可以用來生產(chǎn)智能鞋，可以跟蹤受傷后重新學(xué)習(xí)走路的人的步態(tài)，或者可以用來監(jiān)控糖尿病患者腳上的壓力以防止?jié)冃纬傻囊m子。
“使用數(shù)字針織，你可以自由設(shè)計(jì)自己的圖案，還可以在結(jié)構(gòu)本身中集成傳感器，因此它變得無縫和舒適，你可以根據(jù)你的身體形狀來開發(fā)它，”Wicaksono說。
他與麻省理工學(xué)院本科生Peter G. Hwang、Samir Droubi和Allison N. Serio通過本科生研究機(jī)會項(xiàng)目共同撰寫了這篇論文；Franny Xi Wu，韋爾斯利學(xué)院的應(yīng)屆畢業(yè)生；Wei Yan，南洋理工大學(xué)助理教授；資深作家Joseph A. Paradiso，亞歷山大·w·德雷福斯教授兼媒體實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)環(huán)境小組主任。這項(xiàng)研究將在IEEE醫(yī)學(xué)工程和生物學(xué)會會議上發(fā)表。
“90年代末，媒體實(shí)驗(yàn)室對智能面料進(jìn)行了一些開創(chuàng)性的研究。帕拉迪索說:“從那時(shí)起，材料、嵌入式電子設(shè)備和制造機(jī)器都取得了巨大的進(jìn)步�？吹轿覀兊难芯炕貧w這一領(lǐng)域是一個(gè)很好的時(shí)機(jī)，例如通過像Irmandy這樣的項(xiàng)目——他們指出了一個(gè)令人興奮的未來，在這個(gè)未來，傳感和功能將更加流暢地?cái)U(kuò)散到材料中，并開辟了巨大的可能性。"
針織技術(shù)
為了生產(chǎn)智能紡織品，研究人員使用數(shù)字針織機(jī)將多層織物與一排排標(biāo)準(zhǔn)和功能性紗線編織在一起。多層針織織物由夾在壓阻針織物周圍的兩層導(dǎo)電紗線針織物組成，壓阻針織物在受到擠壓時(shí)會改變其電阻。按照一種模式，機(jī)器將這種功能性紗線以水平和垂直的方式縫合在整個(gè)織物上。Wicaksono解釋說，在功能纖維交叉的地方，它們創(chuàng)造了一個(gè)壓力傳感器。
但是紗線柔軟易彎，所以當(dāng)穿著者移動時(shí)，這些層會移動并相互摩擦。這會產(chǎn)生噪聲并導(dǎo)致可變性，從而使壓力傳感器的精確度大大降低。
Wicaksono在中國深圳的一家針織廠工作時(shí)想出了解決這個(gè)問題的辦法，他在那里花了一個(gè)月的時(shí)間學(xué)習(xí)編程和維護(hù)數(shù)字針織機(jī)。他觀察工人使用熱塑性紗線制作運(yùn)動鞋，當(dāng)加熱到70攝氏度以上時(shí)，這種紗線會開始融化，這種紗線會稍微硬化織物，以便保持精確的形狀。他決定嘗試將熔融纖維和熱成型技術(shù)融入智能紡織品制造流程。
“熱成型真正解決了噪音問題，因?yàn)樗ㄟ^擠壓和熔化整個(gè)織物，將多層織物硬化為一層，從而提高了精確度。這種熱成型技術(shù)還允許我們創(chuàng)造出3D形狀，比如襪子或鞋子，它們實(shí)際上符合用戶的精確尺寸和形狀，”他說。
一旦他完善了制造過程，Wicaksono需要一個(gè)系統(tǒng)來精確處理壓力傳感器數(shù)據(jù)。由于織物編織成網(wǎng)格，他制作了一個(gè)無線電路，掃描織物上的行和列，并測量每個(gè)點(diǎn)的電阻。他設(shè)計(jì)了這種電路來克服由“重影”模糊性引起的偽像，當(dāng)用戶同時(shí)在兩個(gè)或更多單獨(dú)的點(diǎn)上施加壓力時(shí)，就會出現(xiàn)這種情況。
受圖像分類深度學(xué)習(xí)技術(shù)的啟發(fā)，Wicaksono設(shè)計(jì)了一個(gè)將壓力傳感器數(shù)據(jù)顯示為熱圖的系統(tǒng)。這些圖像被輸入到一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，該模型被訓(xùn)練來根據(jù)熱圖圖像檢測用戶的姿勢、姿態(tài)或運(yùn)動。
分析活動
一旦模型經(jīng)過訓(xùn)練，它就可以對用戶在智能墊上的活動進(jìn)行分類(走路、跑步、做俯臥撐等。)有99.6%的準(zhǔn)確率，能以98.7%的準(zhǔn)確率識別7個(gè)瑜伽姿勢。
他們還使用圓形針織機(jī)創(chuàng)造了一種合身的智能紡織鞋，在整個(gè)3D紡織品上分布著96個(gè)壓力傳感點(diǎn)。他們用這種鞋來測量穿鞋者踢球時(shí)施加在腳上不同部位的壓力。
3DKnITS的高精度可以使其在精度至關(guān)重要的修復(fù)應(yīng)用中發(fā)揮作用。Wicaksono說，智能紡織襯墊可以測量假肢對承窩的壓力，使假肢師能夠很容易地看到設(shè)備是否合適。
他和他的同事也在探索更有創(chuàng)意的應(yīng)用。他們與一名聲音設(shè)計(jì)師和一名當(dāng)代舞者合作，開發(fā)了一種智能紡織地毯，可以根據(jù)舞者的腳步驅(qū)動音符和聲景，以探索音樂和編舞之間的雙向關(guān)系。這項(xiàng)研究最近在ACM創(chuàng)造力和認(rèn)知會議上發(fā)表。
“我了解到跨學(xué)科合作可以創(chuàng)造一些真正獨(dú)特的應(yīng)用，”他說。
現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)展示了他們制造技術(shù)的成功，Wicaksono計(jì)劃完善電路和機(jī)器學(xué)習(xí)模型。目前，該模型必須針對每個(gè)人進(jìn)行校準(zhǔn)，然后才能對行動進(jìn)行分類，這是一個(gè)耗時(shí)的過程。取消校準(zhǔn)步驟將使3DKnITS更容易使用。研究人員還希望在實(shí)驗(yàn)室外對智能鞋進(jìn)行測試，以了解溫度和濕度等環(huán)境條件如何影響傳感器的準(zhǔn)確性。
“看到技術(shù)以如此有意義的方式進(jìn)步總是令人驚訝。哈佛醫(yī)學(xué)院整形外科助理教授、麻省總醫(yī)院運(yùn)動醫(yī)學(xué)整形外科醫(yī)生埃里克·伯克森沒有參與這項(xiàng)研究，他說:“難以置信的是，我們穿的衣服，袖子或襪子，可以用其三維結(jié)構(gòu)來感知�！薄霸卺t(yī)療領(lǐng)域，特別是矯形運(yùn)動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)能夠更好地檢測和分類運(yùn)動，并識別真實(shí)世界(實(shí)驗(yàn)室外)情況下的力分布模式。這種思維方式將提高傷害預(yù)防和檢測技術(shù)，并有助于評估和指導(dǎo)康復(fù)�！�
這項(xiàng)研究得到了麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室聯(lián)盟的部分支持。
