3D打印礼服背后的技术 – 实现无线和无电池的外骨骼控制

点击 [转载出处：www.ii77.com]

上方“IEEE电气电子工程师”即可订阅公家号。网罗全球科技前沿动态，为科研创业打开脑洞。

Photo: Yanni de Melo

近日，在奥地利林茨举办的Ars Electronica艺术节上，一件吸引眼球的制服表态，这件制服既包含了艺术特征，也囊括了尖端科技。该制服展示了一个超低能量、高差别率的脑-机接口，非常活络，若是穿戴者考虑移动一根手指，它就能够识别出是哪根手指 -- 且不需要植入。

这条裙子是约翰尼斯开普勒大学（JKU）的研究人员、医学工程公司G.tec的斥地人员和时尚手艺设计师Anouk Wipprecht合作的究竟。该款裙子被称为Pangolin dress，它有1024个头戴式电极，分为64组，每组16个。这些装配能够用来检测来自傲脑的电子旌旗。来自这些传感器的数据被组合、剖析，并转换成32个Neopixel LED和32个伺服驱动秤显露的颜色，从而建立了神经运动的全身可视化。

据悉，最大的手艺提高是最新的定制芯片保持到每个电极。这种单通道芯片的边长为1.6毫米，集成了一个放大器、一个模数转换器（ADC）和一个数字旌旗处理器，它的功耗小于5微瓦。因为它耗电很少，所以芯片能够由四周的基站以非接触式射频识别（RFID）芯片的体式供电，并以无线体式返回数据（尽管对于Pangolin dress来说，有线数据保持被用来让缔造者专注于斥地和调试其他系统元素，而COVID-19限制了接见）。经由无线体式给芯片供电和与芯片进行通信，将不再需要将穿戴者绑在有线系统中的测试系统上，甚至能够消弭传统无线BCI系统中电池的体积和重量。JKU集成电路研究所传授Harald Pretl说，最大的挑战是“传感器电子设备的功率预算”：“我们必需设计出一种专用于此的放大器设计，一种专用于此的ADC，以及基于超宽带的我们本身的传输和谈。”另一个挑战是若何处理“头部四周的褪色和暗影效应，”Pretl增补道。

研究人员透露：“我们测验不使用昂贵的手艺，正在使用的是180纳米（制造）手艺，但我们可以经由使用一些进步的电路设计技能来获得更高的机能。”JKU的Thomas Fasseth注释道，他是Pangolin dress项目的负责人。

对于Pangolin dress，每一组电极和芯片都安装在一块六边形的tile上，在这个例子中，佩戴者的头部是奥地利的Megi Gin的头部（下图），她成为测试介入者的水平与模特一般多，每一块都有一个定制的芯片和天线。

Photos: Sarah Breinbauer

下一步的斥地是由奥地利贸易BCI斥地商和制造商G.tec供应的。G.tec行使其剖析神经旌旗的经验，整合息争释来自tile的数据。例如，当你决意自动移动一块肌肉时，它会在你的活动皮层发生一个能够被检测和识其余局部运动模式，“经由1024个自力通道，你能够获得单指差别率。G.tec结合创始人Christoph Guger说：“这是外观电极无法做到的，需要植入物。Guger说，平日情形下，外观电极系统有64个通道，这仅足以区分活动是针对右臂照样针对左臂。”

因为大脑各不沟通，识别这些细微的细节需要凭据佩戴者的个别对系统进行校准，使用机械进修来识别与分歧活动相关的模式。然而，这个系统实际上并不需要你可以移动任何给定的肌肉事实上，当介入者只是想象一个动作时，它更轻易进修，因为想象一个动作平日比执行它需要更长的时间，发生更持久的旌旗。这意味着四肢瘫痪或缺失的患者能够行使这项手艺，而Guger甚至推想或者存在BCI掌握的外骨骼。

Pangolin dress决意了穿戴者是否处于一系列心理状况之一，包罗压力、中立和冥想，并经由活动和光来表达这一点。这件制服是由设计师Wipprecht设计的，她之前曾为IEEE Spectrum写过她与G.tec合作设计独角兽耳机的故事（原文：https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/i-built-a-brain-computer-interface-for-tackling-adhd-in-children），旨在匡助治疗师为ADHD儿童调整法式。

制服连系了刚性和织物元素，刚性元素采用选择性激光烧结手艺在9个互锁部门进行3D打印。Wipprecht说，传感器的模块化特征激发了人们从天真的pangolin有光泽的角卵白鳞片中获取灵感的设法。对于Wiprecht来说，部门挑战在于大脑旌旗的转变速度远快于伺服机构改变角度的速度，是以她决意将重点放在反映转变频率上：即当低频脑电波占主导地位时，伺服装配和灯光的移动和脉搏迟缓。

据悉，Wiprecht如斯透露：

Pangolin的合作始于客岁岁尾，尽管Covid-19限制前提复杂，但其仍在持续。固然JKU和G.tec的团队位于奥地利，但Wiprecht位于受灾严重的佛罗里达州。对于奥地利团队来说，这意味着他们的实验室受到严厉的限制，然则他们可以在Wiprecht设计服装时向她发送四个传感器模块。这件完成的制服上个月才抵达奥地利进行最后测试。

Pangolin小组进展能缔造出另一种新的裙子，此次是在完全无线模式下使用传感器。关于传感器手艺贸易化的商议仍在进行中，但Guger估计，在大约两年内，它或者成为其他研究人员现成的选择。