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麻省理工學(xué)院的研究人員使用一種新穎的制造工藝，生產(chǎn)出貼合身體的智能紡織品，因此它們可以感知穿著者的姿勢(shì)和動(dòng)作。

通過(guò)加入一種特殊類型的塑料紗線并使用熱量將其輕微熔化——這一過(guò)程稱為熱成型——研究人員能夠大大提高編織到多層針織紡織品中的壓力傳感器的精度，他們稱之為 3DKnITS。

他們利用這個(gè)過(guò)程創(chuàng)建了一個(gè)“智能”鞋和墊子，然后構(gòu)建了一個(gè)硬件和軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量和解釋來(lái)自壓力傳感器的數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)以大約 99% 的準(zhǔn)確率預(yù)測(cè)站在智能紡織墊上的個(gè)人所執(zhí)行的動(dòng)作和瑜伽姿勢(shì)。

麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究助理、一篇介紹 3DKnITS 的論文的主要作者 Irmandy Wicaksono 說(shuō)，他們的制造過(guò)程利用了數(shù)字針織技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速原型制作，并且可以輕松擴(kuò)大規(guī)模以進(jìn)行大規(guī)模制造。

該技術(shù)可以有許多應(yīng)用，特別是在醫(yī)療保健和康復(fù)方面。例如，它可以用來(lái)生產(chǎn)跟蹤受傷后重新學(xué)習(xí)走路的人的步態(tài)的智能鞋，或監(jiān)測(cè)糖尿病患者足部壓力以防止形成潰瘍的襪子。

“通過(guò)數(shù)字針織，您可以自由設(shè)計(jì)自己的圖案，并將傳感器集成到結(jié)構(gòu)本身中，因此它變得無(wú)縫且舒服，您可以根據(jù)自己的身體形狀進(jìn)行開(kāi)發(fā)，”Wicaksono 說(shuō)。

他通過(guò)本科生研究機(jī)會(huì)計(jì)劃與麻省理工學(xué)院本科生 Peter G. Hwang、Samir Droubi 和 Allison N. Serio 一起撰寫了這篇論文；剛從韋爾斯利學(xué)院畢業(yè)的吳曦；南洋理工大學(xué)助理教授魏燕；和作者 Joseph A. Paradiso，Alexander W. Dreyfoos 教授兼媒體實(shí)驗(yàn)室響應(yīng)環(huán)境小組主任。該研究將在 IEEE 醫(yī)學(xué)和生物學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)議上發(fā)表。

“一些關(guān)于智能織物的早期開(kāi)創(chuàng)性工作發(fā)生在 90 年代后期的媒體實(shí)驗(yàn)室。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，”帕拉迪索說(shuō)。“現(xiàn)在是看到我們的研究回到這一領(lǐng)域的好時(shí)機(jī)，例如通過(guò)像 Irmandy 這樣的項(xiàng)目——他們指出了一個(gè)令人興奮的未來(lái)，傳感和功能更流暢地?cái)U(kuò)散到材料中，并開(kāi)辟了巨大的可能性。”

針織知識(shí)

為了生產(chǎn)智能紡織品，研究人員使用數(shù)字針織機(jī)將多層織物與成排的標(biāo)準(zhǔn)和功能性紗線編織在一起。多層針織紡織品由兩層導(dǎo)電紗線編織而成，夾在壓阻式針織物周圍，擠壓時(shí)會(huì)改變其電阻。按照?qǐng)D案，機(jī)器將這種功能性紗線按水平和垂直行縫合在整個(gè)紡織品中。Wicaksono 解釋說(shuō)，在功能性纖維相交的地方，它們形成了一個(gè)壓力傳感器。

但是紗線柔軟而柔韌，因此當(dāng)穿著者移動(dòng)時(shí)，這些層會(huì)移動(dòng)并相互摩擦。這會(huì)產(chǎn)生噪音并導(dǎo)致可變性，從而使壓力傳感器的準(zhǔn)確性大大降低。

Wicaksono 在中國(guó)深圳的一家針織廠工作時(shí)想出了解決這個(gè)問(wèn)題的方法，在那里他花了一個(gè)月的時(shí)間學(xué)習(xí)編程和維護(hù)數(shù)字針織機(jī)。他看到工人使用熱塑性紗線制作運(yùn)動(dòng)鞋，當(dāng)加熱到 70 攝氏度以上時(shí)會(huì)開(kāi)始熔化，這會(huì)使紡織品稍微變硬，因此可以保持準(zhǔn)確的形狀。

圖片來(lái)源：麻省理工學(xué)院

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過(guò)程中。

“熱成型確實(shí)解決了噪音問(wèn)題，因?yàn)樗�通過(guò)基本上將整個(gè)織物擠壓和熔化在一起，將多層織物硬化成一層，從而提高了準(zhǔn)確性。熱成型還允許我們創(chuàng)建 3D 形式，如襪子或鞋子，實(shí)際上適合用戶的準(zhǔn)確尺寸和形狀，”他說(shuō)。

一旦完善了制造過(guò)程，Wicaksono 就需要一個(gè)系統(tǒng)來(lái)準(zhǔn)確處理壓力傳感器數(shù)據(jù)。由于織物是像網(wǎng)格一樣編織的，他制作了一個(gè)無(wú)線電路，可以掃描織物上的行和列，并測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的電阻。他設(shè)計(jì)了這個(gè)電路來(lái)克服由“重影”模糊引起的偽影，當(dāng)用戶同時(shí)在兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)上施加壓力時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。

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)系統(tǒng)，將壓力傳感器數(shù)據(jù)顯示為熱圖。這些圖像被饋送到機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，該模型經(jīng)過(guò)訓(xùn)練以根據(jù)熱圖圖像檢測(cè)用戶的姿勢(shì)、姿勢(shì)或運(yùn)動(dòng)。

一旦模型經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，它可以以 99.6% 的準(zhǔn)確率對(duì)用戶在智能墊上的活動(dòng)（走路、跑步、做俯臥撐等）進(jìn)行分類，并且可以以 98.7% 的準(zhǔn)確率識(shí)別七種瑜伽姿勢(shì)。

他們還使用圓形針織機(jī)制作了一款合身的智能紡織鞋，在整個(gè) 3D 紡織品上分布有 96 個(gè)壓力感應(yīng)點(diǎn)。當(dāng)穿著者踢足球時(shí)，他們使用鞋子來(lái)測(cè)量施加在腳不同部位的壓力。

3DKnITS 的高精度使其可用于假肢應(yīng)用，其中精度至關(guān)重要。Wicaksono 說(shuō)，智能紡織襯里可以測(cè)量假肢施加在插座上的壓力，使假肢師能夠輕松查看設(shè)備的貼合度。

他和他的同事也在探索更具創(chuàng)造性的應(yīng)用。他們與聲音設(shè)計(jì)師和當(dāng)代舞者合作，開(kāi)發(fā)了一種智能紡織地毯，可以根據(jù)舞者的腳步驅(qū)動(dòng)音符和音景，以探索音樂(lè)和舞蹈之間的雙向關(guān)系。這項(xiàng)研究近期在 ACM 創(chuàng)造力和認(rèn)知會(huì)議上發(fā)表。

“我了解到跨學(xué)科合作可以創(chuàng)造一些非常獨(dú)特的應(yīng)用程序，”他說(shuō)。

既然研究人員已經(jīng)證明了他們的制造技術(shù)的成功，Wicaksono 計(jì)劃改進(jìn)電路和機(jī)器學(xué)習(xí)模型。目前，模型可以先針對(duì)每個(gè)人進(jìn)行校準(zhǔn)，然后才能對(duì)動(dòng)作進(jìn)行分類，這是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。刪除該校準(zhǔn)步驟將使 3DKnITS 更易于使用。研究人員還希望在實(shí)驗(yàn)室外對(duì)智能鞋進(jìn)行測(cè)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。想到我們穿的衣服，袖子或襪子，可以通過(guò)其三維結(jié)構(gòu)用于傳感的方式來(lái)創(chuàng)造，真是令人難以置信，埃里克·伯克森（Eric Berkson）說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他是哈佛醫(yī)學(xué)院整形外科助理教授、麻省總醫(yī)院運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)整形外科醫(yī)生�！霸卺t(yī)療領(lǐng)域，特別是在骨科運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中，該技術(shù)提供了更好地檢測(cè)和分類運(yùn)動(dòng)以及識(shí)別現(xiàn)實(shí)世界（實(shí)驗(yàn)室外）情況下的力分布模式的能力。這種思維方式將增強(qiáng)傷害預(yù)防和檢測(cè)技術(shù)，并有助于評(píng)估和指導(dǎo)康復(fù)。”