可靠而穿戴式的即時手指辨識系統
背景
在現今的科技發展中，能夠偵測、追蹤和解讀周遭環境的裝置在各個領域都具有無數的應用價值，例如機器人技術、醫療保健、娛樂產業以及運動領域等。特別是穿戴式感測器能夠有效地偵測和記錄人體使用者的動作，因為這些感測器可以靈活地放置並且能夠更精確地捕捉到更微小的動作。 最近，韓國的亞洲大學、高麗大學和韓國科學技術研究院（KU-KIST）的研究人員開發出了一種新的系統，可以即時辨識人體使用者手指的動作。他們在《自然電子學》（Nature Electronics）期刊中提出的這種裝置是基於一種穿戴式感測器和所謂的人工突觸（即在大腦中模擬突觸功能的硬體元件）所構成的。重要性
該研究的負責人之一、亞洲大學的 Sungjun Park 教授表示：“人機介面的發展正朝著與我們日常生活更無縫整合的方向前進。理想情況下，我們應該與科技進行互動而毫不自覺。實現這一目標的一個關鍵方法是使機器能夠辨識自然的人體動作，尤其是像手指動作這樣複雜的動作。這種辨識不僅僅是一種新奇的技術，而且對機器人技術、醫療保健和通訊等領域都有深遠的影響。” 然而儘管近年來在可穿戴運動辨識系統的開發方面取得了一些進展，但是迄今為止提出的大多數解決方案仍然無法達到最佳效果。最近開發的大多數人體動作辨識系統都依賴於兩個或更多的靜態裝置，例如三維深度攝像頭、紅外攝像頭和慣性測量單元。“這些錯置設定不可避免地阻礙了它們所尋求辨識的自然動作。” 高麗大學的 Gunuk Wang 教授解釋道。"此外它們的基礎算法在時間和能源上都消耗巨大，主要是因為它們需要區分手指和其他物體，然後在連續時間間隔中追蹤它們的運動。我們在《自然電子學》中的最新論文旨在克服這些障礙”。創新
基於他們以往的研究成果，Park 教授、Wang 教授及其同事決定開發一種“無約束”的動作辨識系統，能夠可靠地偵測和識別使用者的各個手指的動作。為了實現這個目標，他們將廣泛使用的光學感測器與人工突觸整合到一個非常薄的基板上，其厚度約為 2 微米（即約為人髮粗細的 1/20）。 該研究團隊的手指動作辨識系統主要由兩個主要元件組成，即光學感測器（有機接近感測器）和所謂的突觸裝置。透過將這兩個元件精確放置在一個極薄的基板上，該系統可以輕鬆地放在皮膚上，並且能夠自適應於人移動時在皮膚上自然形成的皺褶。這種獨特的設計使得使用者在他們的周圍可以自由移動，同時系統可以記錄並辨識他們的動作。該系統透過完成三個不同的步驟來實現手指動作的辨識：運動捕捉、訊號轉換和學習/辨識。 首先使用者在戴著感測器的情況下可以在空中畫出圖案（在我們的展示中我們使用 0 到 9 這幾個數位）。這些圖案會由放在拇指頂部和側面的光學感測器捕捉到。為了提供照明條件，我們在垂直方向上放置了兩種不同的燈光。舉例來說如果你畫了數位"3"，你的手指將會在水平（x 軸）和垂直（y 軸）兩個平面上蹤跡一條唯一的路徑。當光學感測器靠近或遠離光線時，它會產生不同的電壓模式。 作為第二個步驟，研究團隊的系統即時將被感測器捕獲到的光轉化為電訊號。這些來自手指運動的獨特電壓模式隨後被轉換為代表電壓強度的數位影像。最後這些數位影像被餵給突觸裝置，並且透過執行機器學習算法來預測使用者的手指動作。“這個元件是學習和辨識模式的關鍵，”Wang 教授說。“它基於輸入調整和更新突觸的權重(w)，它的能夠改變和維持導電度的能力發揮著重要的作用。實質上，更大的輸入電壓導致更顯著的導電度變化，並且這種變化在一個固定時長內保持不變。隨著時間的推移，這個裝置被訓練來辨識 0 到 9 這幾個數位的模式，從而使其能夠辨識基於學到的突觸權重的新的、隨機模式。”優點
與過去介紹的許多其他動作辨識系統相比，該研究團隊的系統在預測上更可靠、耐用且準確。值得注意的是，他們的裝置可以承受高達 60%的應變，並且在反覆彎曲 1200 次以上後仍然能夠保持其功能。該系統還可以在光線較差的環境中工作，包括光線稀少的環境或是一天中光線較暗的時候。在初步試驗中，它的準確率高達 95%，因此在比過去介紹的無數其他解決方案更好地預測人體使用者的手指動作。影響與展望
Park 教授表示：“在可神經運算和可穿戴技術的交叉領域，我們已經取得了重大進展。透過在一個極其柔軟的基板上協同使用感測器和突觸裝置，我們創造了一個不僅與使用者完美結合，而且具有出色的計算能力的系統。這種系統具有低功耗、高精度和出色的機械和電氣可靠性。” 未來，這個研究團隊引入的新型手指辨識系統可以在各種需要可靠監測人體動作的場景中得到應用和測試。它的設計還可能激發該領域的進一步努力，推動新一代的運動追蹤和辨識技術的發展。Park 教授表示：“除了手指動作，這項技術還可以應用於辨識其他身體動作。此外它的影響是深遠的，涵蓋多個領域，包括機器人技術（在這方面它可以促進精確的人機互動）、醫療保健（在這方面它可以革新患者監測和康復）、通訊（在這方面它可以實現更直觀的介面）、可穿戴技術（在這方面它可以幫助開發更方便使用和適應性更強的裝置）以及擴增和虛擬現實領域（在這方面它可以幫助建立更沉浸式和更逼真的體驗）。” 在未來的研究中，Park 教授及其同事計劃繼續改進他們的裝置，以提升其功能和效能。此外他們還希望利用他們的設計創造出可以解讀其他身體動作和生理訊號的新技術。Park 教授補充說：“我們最近的研究專注於建立一個融合光學感測器和人工突觸的皮膚適配系統，專門用於即時的手指動作辨識。然而這個平臺的潛力並不止於此。事實上我們正在探索整合其他不同型別的感測器，例如應變或熱感測器，以解讀更廣泛的資料。光學感測器的多功能性也引起了我們的興趣；它在測量其他重要引數，如血氧水平或心臟跳動等方面的潛力是令人感興趣的。基本上，這突顯了我們的系統在多種應用中的廣泛適應性。”結論
這項研究的突破性工作展示了一種可靠而穿戴式的即時手指辨識系統。該系統的優勢在於其高度預測準確率、耐用性和工作穩定性。該技術的應用潛力廣泛，涵蓋了許多領域，從機器人技術到醫療保健，再到通訊和可穿戴技術等。未來，該系統可能在各種場景中實現人類動作的可靠監測，並且可能推動新一代的運動追蹤和辨識技術的發展。 此研究的突破提醒我們，隨著科技的不斷進步，我們將進入更加密集和無縫的人機互動時代。然而我們也需要保持對於技術發展的審慎態度，確保其在個人隱私保護、道德準則和法律規定等方面的合規性。在擁抱這些新技術的同時我們應該思考其對個體和社會的長遠影響，以達到科技發展與人文關懷的良好平衡。手指辨識-可靠系統,時尚系統,即時辨識,手指動作,新突破
