可穿戴計(jì)算已經(jīng)從利基市場(chǎng)發(fā)展到相當(dāng)大的消費(fèi)市場(chǎng)，近年來(lái)已經(jīng)有了大量的應(yīng)用。隨著這種普及，有機(jī)會(huì)簡(jiǎn)化對(duì)可穿戴和移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的輸入。由于尺寸小，傳統(tǒng)的交互方式（例如鼠標(biāo)和鍵盤）通常不太適合小型化的移動(dòng)和可穿戴設(shè)備。因此，要開發(fā)更加有效的輸入裝置，其既方便用戶又可靠地自動(dòng)處理。我們的研究重點(diǎn)是使用Serpentine開發(fā)這種新的輸入技術(shù)。

Serpentine，一種自供電傳感器，是一種可逆變形的電線，能夠感應(yīng)各種自然的人體輸入。Serpentine的材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有柔韌性，可扭曲性，可拉伸性和可擠壓性，可實(shí)現(xiàn)多種表現(xiàn)形式的輸入方式。

蛇形管制成線圈狀結(jié)構(gòu)，多層同軸硅樹脂，銅和導(dǎo)電尼龍線。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的特定選擇允許界面的機(jī)械變形，其在導(dǎo)電尼龍和pVA涂覆的銅線之間出現(xiàn)時(shí)變電荷分布，其出現(xiàn)電信號(hào)。這種信號(hào)的出現(xiàn)基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）現(xiàn)象，該現(xiàn)象在靜電感應(yīng)和摩擦起電的結(jié)合上起用途。由于變形以及因此電荷分布導(dǎo)致發(fā)電，因此工作原理本身消除了外部功率以感測(cè)由手勢(shì)相互用途引起的變形的要。然后通過實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)處理自生成的信號(hào)，該系統(tǒng)包括信號(hào)處理流水線，該流水線將它們唯一地映射到出現(xiàn)變形的動(dòng)作。我們的系統(tǒng)使我們能夠?qū)崿F(xiàn)我們的愿景，即創(chuàng)建一個(gè)不僅自供電，而且對(duì)各種表達(dá)輸入模式敏感的界面。

傳感器物理結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性，摩擦材料的普遍可用性（我們?nèi)粘Ｉ钪锌捎玫乃胁牧希缂垙?，織物，pDFE，pDMS等）和DIY結(jié)構(gòu)的構(gòu)造允許這樣的傳感接口縮放適用于各種應(yīng)用。Serpentine消除了對(duì)身體不同部位佩戴的笨重或剛性傳感器械的需求。它的特定材料特性，外形和物理結(jié)構(gòu)供應(yīng)六種自然姿勢(shì)-采摘，旋轉(zhuǎn)，拉伸，捏，擺動(dòng)和扭曲。Serpentine展示了通過單一物理接口同時(shí)識(shí)別這些輸入的新穎能力。

自供電可拉伸線圈形振動(dòng)傳感接口-單電極（用硅樹脂封裝的銅線作為電介質(zhì)）基于TENG原理的機(jī)制

自供電可拉伸線圈形振動(dòng)傳感接口-雙電極（銅線和尼龍線用硅樹脂作為電介質(zhì)封裝）基于TENG原理的機(jī)制

Serpentine的操作

Serpentine可以實(shí)現(xiàn)許多不同的單手和雙手操作。為了證明Serpentine可以檢測(cè)由觸覺和縱向力出現(xiàn)的電信號(hào)，我們已經(jīng)探索和評(píng)估了一些特定的手勢(shì)，這些手勢(shì)是適當(dāng)?shù)拇硇詷颖尽?/p>

電子機(jī)械測(cè)試和分析

通過縱向位移在電輸出（開路電壓，短路電流和輸出功率）方面的傳感器表征

實(shí)驗(yàn)設(shè)置：

我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來(lái)表征我們的傳感接口的電氣輸出，包括短路電流（Isc）電流，開路電壓（Voc）和各種輸入頻率和縱向位移（拉伸）的電功率。首先，構(gòu)造定制的塑料支架以保持線性馬達(dá)和Newport462-XYZ-M線性平臺(tái)之間的傳感接口。然后，傳感接口平行于地面對(duì)齊，并牢固地固定在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備之間的直線上。通過計(jì)算機(jī)控制直線電機(jī)臂的加速，減速和位移，模擬不同頻率和相互用途的縱向位移。通過吉時(shí)利靜電計(jì)測(cè)量界面的電輸出。對(duì)具有不同剛度的兩個(gè)傳感器執(zhí)行該過程。

觀察：開路電壓

一方面，兩個(gè)不同的接口在開路電壓中顯示出一些相似之處：1。在給定的頻率范圍內(nèi)，觀察到開路電壓在5mm位移時(shí)幾乎保持不變，以及2.隨著位移的新增，開路電壓顯示近似值與頻率成線性關(guān)系，但這種線性趨勢(shì)在20mm和25mm的高位移時(shí)明顯斷開。另一方面，對(duì)頻率和相互用途位移的電響應(yīng)存在顯著差異。關(guān)于所有位移和頻率，與更硬的替代方法相比，更軟的界面出現(xiàn)更大的開路電壓。這表明較軟的界面對(duì)拉伸相互用途更敏感。此外，電壓和頻率之間的近似線性關(guān)系表示較軟的界面的陡峭斜率，這表明關(guān)于測(cè)試的位移，軟界面對(duì)頻率的靈敏度隨著位移的新增而提高。

觀察：短路電流

關(guān)于給定頻率，短路電流隨位移的新增而新增。在給定的位移處，在電流偏離線性趨勢(shì)并且開始急劇新增之前，短路電流幾乎線性地隨著頻率的新增而新增到5Hz。這種趨勢(shì)意味著就短路電流而言，電輸出關(guān)于20mm和25mm的縱向位移的相互用途頻率非常敏感。

手勢(shì)數(shù)據(jù)集：時(shí)域和頻域分析

頻率響應(yīng)分析

我們分析了在相同物理環(huán)境中收集的6個(gè)不同用戶的數(shù)據(jù)頻域。數(shù)據(jù)在下圖中可視化，其中信號(hào)的幅度被歸一化，使得來(lái)自每個(gè)手勢(shì)的最大幅度為1.該圖表示我們?cè)陬l域中的6個(gè)測(cè)試手勢(shì)的清晰度。關(guān)于“拔除”手勢(shì)，在25至45Hz的頻率范圍內(nèi)觀察到良好的響應(yīng)，其對(duì)應(yīng)于在給定傳感器的采集部分的長(zhǎng)度的情況下位于一次諧波頻率的頻率范圍。這種采取手勢(shì)的響應(yīng)承諾將來(lái)在弦樂器中應(yīng)用自供電拾音器。

在除拉伸和拔除之外的所有姿勢(shì)中，人們注意到60Hz處的峰值，這是由無(wú)處不在的電力傳輸線引起的。采集和拉伸中的信號(hào)幅度遠(yuǎn)高于從60Hz電力線截取的信號(hào)，因此當(dāng)數(shù)據(jù)被標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)，60Hz信號(hào)在可視化中被抑制。

頻率響應(yīng)分析：

收集的數(shù)據(jù)演示了每個(gè)手勢(shì)的頻率響應(yīng)。每個(gè)手勢(shì)為6個(gè)用戶說(shuō)明每個(gè)用戶25個(gè)樣本，用于修改分類算法的頻譜圖。

在調(diào)試和改進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)分類的過程中，我們繪制了不同手勢(shì)的譜圖，以觀察使用該特點(diǎn)最佳區(qū)分什么手勢(shì)。頻譜圖也影響了我們有關(guān)是否應(yīng)該將手勢(shì)保持在可用于該類型的第一次研究的可區(qū)分手勢(shì)集中的決定。因此，可視化特點(diǎn)影響手勢(shì)設(shè)計(jì)，反之亦然。我們不斷改進(jìn)我們的分類算法，以新增第一組6個(gè)手勢(shì)中的手勢(shì)數(shù)量。

擺動(dòng)

捻

伸展

采摘

數(shù)據(jù)收集和分類管道

數(shù)據(jù)收集管道

我們使用AdafruitFeatherM0MCU轉(zhuǎn)向DigilentAnalogDiscovery2，以便從傳感器采集數(shù)據(jù)。由于“dwf”pythonApI允許通過AnalogDiscovery2設(shè)備更簡(jiǎn)單，更準(zhǔn)確地處理采樣率，因此它比先前測(cè)試的MCU更適合數(shù)據(jù)收集。

數(shù)據(jù)分類管道

使用AnalogDiscovery2設(shè)備獲取分類數(shù)據(jù)。它通過頻域能量計(jì)算進(jìn)行分段，并進(jìn)行平滑處理以抑制數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差。同時(shí)，假如信號(hào)超過閾值能量水平，則分類器在該分段數(shù)據(jù)中查找信號(hào)。正如在MCU的情況下所確定的，實(shí)驗(yàn)上看到隨機(jī)森林分類器表現(xiàn)最佳。

“pyAudioAnalysis”python庫(kù)用于計(jì)算頻域和時(shí)域特點(diǎn)，并根據(jù)特點(diǎn)計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。因此，建立了穩(wěn)定且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理管道，成功地區(qū)分了6個(gè)手勢(shì)。所需的代碼在github中可用，其使用說(shuō)明在BuildInstruction部分中有說(shuō)明。

注意：

本系統(tǒng)使用DigilentAnalogDiscovery2這是一種昂貴的設(shè)備，我們不建議將蛇形作為可穿戴設(shè)備成功運(yùn)行。Digilent設(shè)備用于證明傳感接口和數(shù)據(jù)分類算法運(yùn)行良好，并準(zhǔn)備與MCU集成。我們正在進(jìn)行的研究旨在通過最新上傳中供應(yīng)的分段和分類算法實(shí)現(xiàn)從MCU（通過以前上傳的MCU的python代碼）通過WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的這種集成。

下一步：自供電無(wú)線通信

由螺旋導(dǎo)體組成，我們的傳感器也可用作天線。為了探索其天線特性，我們通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量了從30MHz到10GHz的S11天線特性（由于測(cè)量設(shè)備的限制而選擇上限）并將結(jié)果繪制在阻抗史密斯圓圖上。在最初幾次實(shí)驗(yàn)之后獲得的最佳S11參數(shù)值在10.0GHz時(shí)為0.2072，這意味著傳遞到天線的大約80％的功率被傳輸出去或在內(nèi)部用完。我們正在進(jìn)行的研究是優(yōu)化蛇形天線的這種天線性質(zhì)，并構(gòu)建一個(gè)自供電傳感和自供電無(wú)線通信系統(tǒng)。

使用Serpentine不僅可以作為自供電傳感接口，還可以作為通信的自供電天線，可以徹底改變?nèi)祟惻c計(jì)算設(shè)備交互的方式。相互用途本身應(yīng)足以出現(xiàn)用于感測(cè)和同時(shí)無(wú)線通信的電信號(hào)，而無(wú)需外部電源或傳感和通信儀器。

今天，電池在用于感測(cè)和通信的計(jì)算設(shè)備中無(wú)處不在。然而，電池更換和處理會(huì)給環(huán)境帶來(lái)負(fù)擔(dān)，并且這種電池的使用是不可持續(xù)的。

盡管如此，通過Serpentine，我們將很快消除對(duì)這種外部電源的需求，從而開發(fā)出一種環(huán)境清潔的自我維持系統(tǒng)，并且可以將其整合到普適計(jì)算設(shè)備中。