新型可拉伸生物相容性材料幫助AI更好理解手部動(dòng)作
用來研究人工智能的主要物質(zhì)基礎(chǔ)以及能夠?qū)崿F(xiàn)人工智能技術(shù)平臺(tái)的機(jī)器就是計(jì)算機(jī),人工智能的發(fā)展歷史是和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史聯(lián)系在一起的。除了計(jì)算機(jī)科學(xué)以外,人工智能還涉及信息論、控制論、自動(dòng)化、仿生學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、數(shù)理邏輯、語言學(xué)、醫(yī)學(xué)和哲學(xué)等多門學(xué)科。人工智能學(xué)科研究的主要內(nèi)容包括:知識(shí)表示、自動(dòng)推理和搜索方法、機(jī)器學(xué)習(xí)和知識(shí)獲取、知識(shí)處理系統(tǒng)、自然語言理解、計(jì)算機(jī)視覺、智能機(jī)器人、自動(dòng)程序設(shè)計(jì)等方面。
斯坦福大學(xué)開發(fā)的一種新的智能皮膚可能預(yù)示著有一天人們可以在隱形鍵盤上打字,僅通過觸摸來識(shí)別物體,或者允許用戶在沉浸式環(huán)境中通過手勢(shì)與應(yīng)用程序進(jìn)行交流。
在Nature Electronics雜志剛剛發(fā)表的一篇論文中,研究人員描述了一種新型可拉伸生物相容性材料,它可以噴在手背上,就像防曬噴霧一樣。網(wǎng)格中集成了一個(gè)微型電子網(wǎng)絡(luò),可以感知皮膚的拉伸和彎曲,并且使用人工智能,研究人員可以根據(jù)手部動(dòng)作和手勢(shì)解釋無數(shù)的日常任務(wù)。研究人員表示,它可能在游戲、體育、遠(yuǎn)程醫(yī)療和機(jī)器人技術(shù)等廣泛領(lǐng)域產(chǎn)生應(yīng)用和影響。
到目前為止,已經(jīng)積極探索了幾種有前途的方法,例如使用腕帶或可穿戴手套測(cè)量肌肉電活動(dòng),以實(shí)現(xiàn)各種手部任務(wù)和手勢(shì)。然而,這些設(shè)備體積龐大,因?yàn)樾枰鄠€(gè)感官組件來精確定位每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。此外,需要為每個(gè)用戶和任務(wù)收集大量數(shù)據(jù)以訓(xùn)練算法。這些挑戰(zhàn)使得將此類設(shè)備用作日常電子產(chǎn)品變得困難。
這項(xiàng)工作是第一個(gè)實(shí)用的方法,它在形式上足夠精簡(jiǎn),在功能上具有足夠的適應(yīng)性,基本上適用于任何用戶——即使數(shù)據(jù)有限。當(dāng)前的技術(shù)需要多個(gè)傳感器組件來讀取手指的每個(gè)關(guān)節(jié),這使得它們體積龐大。新設(shè)備還采用更精簡(jiǎn)的軟件方法,以加快學(xué)習(xí)速度。這種精度可能是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的關(guān)鍵,可以傳達(dá)精細(xì)的動(dòng)作以獲得更逼真的體驗(yàn)。
促成創(chuàng)新是一種嵌入聚氨酯中的可噴涂電敏網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)——與制造滑板輪和保護(hù)硬木地板免受損壞的耐用且可拉伸的材料相同。該網(wǎng)格由數(shù)百萬條鍍金的銀納米線組成,這些納米線相互接觸以形成動(dòng)態(tài)電通路。這種網(wǎng)狀物具有電活性、生物相容性、透氣性,除非用肥皂和水擦拭,否則不會(huì)脫落。它與佩戴它的每個(gè)人手指的皺紋和褶皺緊密貼合。然后一個(gè)輕量級(jí)的藍(lán)牙模塊可以簡(jiǎn)單地連接到可以無線傳輸信號(hào)變化的網(wǎng)格上。
“當(dāng)手指彎曲和扭曲時(shí),網(wǎng)格中的納米線會(huì)被擠壓在一起并拉開,從而改變網(wǎng)格的導(dǎo)電性??梢詼y(cè)量和分析這些變化,以準(zhǔn)確地告訴我們手、手指或關(guān)節(jié)是如何移動(dòng)的”,該研究的資深作者、化學(xué)工程系李哲南教授解釋說。
研究人員選擇了一種直接在皮膚上噴涂的方法,這樣就可以在沒有基材的情況下支撐網(wǎng)狀物。這一關(guān)鍵的工程決策消除了不需要的運(yùn)動(dòng)偽影,并允許他們使用單條導(dǎo)電網(wǎng)格來生成手指的多關(guān)節(jié)信息。
該設(shè)備的噴涂特性使其能夠適應(yīng)任何大小或形狀的手,但也開啟了該設(shè)備可以適應(yīng)面部以捕捉微妙情緒線索的可能性。這可能會(huì)啟用新的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫方法,或?qū)е鲁霈F(xiàn)具有更逼真的面部表情和手勢(shì)的新化身虛擬會(huì)議。
然后機(jī)器學(xué)習(xí)接管。計(jì)算機(jī)監(jiān)控電導(dǎo)率的變化模式,并將這些變化映射到特定的物理任務(wù)和手勢(shì)。例如,在鍵盤上鍵入一個(gè) X,算法就會(huì)學(xué)會(huì)根據(jù)電導(dǎo)率的變化模式來識(shí)別該任務(wù)。一旦對(duì)算法進(jìn)行了適當(dāng)?shù)挠?xùn)練,就不再需要物理鍵盤了。同樣的原理可以用來識(shí)別手語,甚至可以通過追蹤物體的外表面來識(shí)別物體。
而且,盡管現(xiàn)有技術(shù)是計(jì)算密集型的,并且需要大量的數(shù)據(jù),而這些數(shù)據(jù)必須由人類費(fèi)力地標(biāo)記——如果你愿意的話,可以手工標(biāo)記——斯坦福團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種計(jì)算效率更高的學(xué)習(xí)方案。
“我們帶來了人類學(xué)習(xí)的各個(gè)方面,這些方面僅通過少數(shù)被稱為‘元學(xué)習(xí)’的試驗(yàn)就能迅速適應(yīng)任務(wù)。這使得該設(shè)備能夠通過一些快速試驗(yàn)快速識(shí)別任意新的手部任務(wù)和用戶,”該研究的第一作者、Bao 實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者 Kyun Kyu “Richard” Kim 說。
“此外,這是應(yīng)對(duì)這一復(fù)雜挑戰(zhàn)的一種非常簡(jiǎn)單的方法,這意味著我們可以用更少的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算處理時(shí)間,因?yàn)槲覀兊募{米網(wǎng)格捕獲了其信號(hào)中的細(xì)微細(xì)節(jié),”Kim 補(bǔ)充道。該設(shè)備可以精確地映射手指的細(xì)微動(dòng)作,這是這項(xiàng)創(chuàng)新的主要特點(diǎn)之一。
研究人員構(gòu)建了一個(gè)原型,可以通過觸摸識(shí)別簡(jiǎn)單的物體,甚至可以在隱形鍵盤上進(jìn)行預(yù)測(cè)性雙手打字。該算法能夠輸入威廉·莎士比亞的“沒有比誠實(shí)更豐富的遺產(chǎn)”和威廉·歐內(nèi)斯特·亨利的詩“Invictus”中的“我是命運(yùn)的主宰,我是靈魂的船長”。