可穿戴計算已經(jīng)從利基市場發(fā)展到相當(dāng)大的消費(fèi)市場，近年來已經(jīng)有了大量的應(yīng)用。隨著這種普及，有機(jī)會簡化對可穿戴和移動計算設(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處理。我們的研究重點是使用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)計使其具有柔韌性，可扭曲性，可拉伸性和可擠壓性，可實現(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)時變電荷分布，其出現(xiàn)電信號。這種信號的出現(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由手勢相互用途引起的變形的要。然后通過實現(xiàn)的系統(tǒng)處理自生成的信號，該系統(tǒng)包括信號處理流水線，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)建一個不僅自供電，而且對各種表達(dá)輸入模式敏感的界面。

傳感器物理結(jié)構(gòu)的簡單性，摩擦材料的普遍可用性（我們?nèi)粘Ｉ钪锌捎玫乃胁牧?，如紙張，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-采摘，旋轉(zhuǎn)，拉伸，捏，擺動和扭曲。Serpentine展示了通過單一物理接口同時識別這些輸入的新穎能力。

自供電可拉伸線圈形振動傳感接口-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可以實現(xiàn)許多不同的單手和雙手操作。為了證明Serpentine可以檢測由觸覺和縱向力出現(xiàn)的電信號，我們已經(jīng)探索和評估了一些特定的手勢，這些手勢是適當(dāng)?shù)拇硇詷颖尽?/p>

電子機(jī)械測試和分析

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

實驗設(shè)置：

我們進(jìn)行了實驗來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線性平臺之間的傳感接口。然后，傳感接口平行于地面對齊，并牢固地固定在實驗室設(shè)備之間的直線上。通過計算機(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。通過吉時利靜電計測量界面的電輸出。對具有不同剛度的兩個傳感器執(zhí)行該過程。

觀察：開路電壓

一方面，兩個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，但這種線性趨勢在20mm和25mm的高位移時明顯斷開。另一方面，對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)于測試的位移，軟界面對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。

手勢數(shù)據(jù)集：時域和頻域分析

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，其中信號的幅度被歸一化，使得來自每個手勢的最大幅度為1.該圖表示我們在頻域中的6個測試手勢的清晰度。關(guān)于“拔除”手勢，在25至45Hz的頻率范圍內(nèi)觀察到良好的響應(yīng)，其對應(yīng)于在給定傳感器的采集部分的長度的情況下位于一次諧波頻率的頻率范圍。這種采取手勢的響應(yīng)承諾將來在弦樂器中應(yīng)用自供電拾音器。

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

頻率響應(yīng)分析：

收集的數(shù)據(jù)演示了每個手勢的頻率響應(yīng)。每個手勢為6個用戶說明每個用戶25個樣本，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的譜圖，以觀察使用該特點最佳區(qū)分什么手勢。頻譜圖也影響了我們有關(guān)是否應(yīng)該將手勢保持在可用于該類型的第一次研究的可區(qū)分手勢集中的決定。因此，可視化特點影響手勢設(shè)計，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個手勢中的手勢數(shù)量。

擺動

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)備更簡單，更準(zhǔn)確地處理采樣率，因此它比先前測試的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，假如信號超過閾值能量水平，則分類器在該分段數(shù)據(jù)中查找信號。正如在MCU的情況下所確定的，實驗上看到隨機(jī)森林分類器表現(xiàn)最佳。

“pyAudioAnalysis”python庫用于計算頻域和時域特點，并根據(jù)特點計算統(tǒng)計數(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個手勢。所需的代碼在github中可用，其使用說明在BuildInstruction部分中有說明。

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，我們通過實驗測量了從30MHz到10GHz的S11天線特性（由于測量設(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。在最初幾次實驗之后獲得的最佳S11參數(shù)值在10.0GHz時為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)建一個自供電傳感和自供電無線通信系統(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)用于感測和同時無線通信的電信號，而無需外部電源或傳感和通信儀器。

今天，電池在用于感測和通信的計算設(shè)備中無處不在。然而，電池更換和處理會給環(huán)境帶來負(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算設(shè)備中。