华科大团队研发无感化智能编织电子绳，单根成本低至3元

　　“在论文发表当天，有多家头部互联网企业找到我们，希望探讨将无感化智能编织电子绳技术应用于智能家居、健康养老、运动健身以及智能汽车等领域。

　　同时，我们也非常希望将该技术和产业界深度合作，将基础科研的创新成果服务于更多的人。”华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院陶光明教授说。

　　

　　图丨陶光明（来源：华中科技大学）

　　近日，华中科技大学团队设计并开发了一种无感化、可设计且可工业量产的智能编织电子绳，并结合了多特征融合算法构建交互系统。

　　“一根绳”看似简单，却极有价值。它满足了人们生产生活中多种交互系统的市场需求，补位了供给短缺，丰富了人机一体化产业的创新链、产业链结构。并且，还更有力地推动了传统制造业的转型升级，使产业链供应链更加安全、稳定。

　　和谷歌在 2020 年推出的 I/O Braid 相比，陶光明教授带领团队所研发无感化智能编织电子绳拓展了更多功能，结构形态更加丰富，且交互准确率更高（DeepTech此前报道：又见谷歌黑科技，用电子纺织绳控制智能设备）。

　　这种智能编织电子绳不仅具备手势识别功能，且拓展了触摸位置，对触摸区域面积进行准确识别，其交互准确率更是高达 96% 以上。

　　此外，该无感化智能编织电子绳通过可设计的绳编结构如螺旋结构、扁平结构、结绳结构等，以发绳、手环、乐器、枕头等形态，快速融入生活的多种智能交互系统中，极大地丰富了其可设计和可扩展的用户交互界面。

　　实用性方面，该智能编织电子绳可承受上万次的循环测试，并具备良好的耐水洗性。作为一款兼具实用性和准确性的人机交互产品，智能编织电子绳在制造业尤其是人工智能领域展现出极强的创新力、竞争力。

　　它通过多特征融合算法，使得“一根绳”像被赋予了生命，通过感知、收集、处理、传输数据以实现智能化操作，人机交互准确率达到 96%（超过谷歌 I/O Braid 的 93.8%）。

　　为构建以自然人机交互界面为主的物理世界与数字世界，智能编织电子绳的接口能广泛地部署到任意地方，从而方便人类享受新型材料和人工智能技术带来的新的智能交互体验。

　　

　　图丨相关论文（来源：Nature Communications）

　　11 月 19 日，相关论文以《无感化、可设计、可工业量产的编织电子绳》（Imperceptible, designable, and scalable braided electronic cord）为题发表在 Nature Communications 上[1]，并被期刊编辑部作为亮点推荐（Editors’ Highlights），论文通讯作者为华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院陶光明教授。

　　

　　为物理世界和数字空间的通信和交互提供新思路

　　该研究不仅是一项基础科研的创新，智能编织电子绳的交互系统包括多种设计策略，可集成在发辫。然后，进一步地通过发辫使音乐播放器实现播放、切歌、暂停、调节音量等功能。

　　同时，其他绳结结构也拓展了智能编织电子绳的应用场景。举例来说，当使用者处于紧急情况时，通过由扁平结构的智能编织电子绳制作成的智能手环，能通过智能手环控制手机实现呼救。

　　此外，将单结智能编织电子绳编织在服装上作为可穿戴弦乐器，是另一种应用的可能。

　　

　　（来源：Nature Communications）

　　与此同时，该团队将包芯压力传感纱线作为电容式压力传感器，通过在枕头上设计双层刺绣结构，使行动不便的患者可以触摸刺绣远程遥控灯的开关，为智能编织电子绳在数字病房的应用带来新的方案。

　　智能编织电子绳为物理世界和数字空间之间的通信和交互提供了一种新思路。陶光明教授表示：“在未来，我们希望基于智能编织电子绳的接口可更广泛地部署到更多地方，以构建基于自然交互界面的物理世界和数字世界。希望这个技术可以让大家更多地感受新材料和人工智能技术带来的智能交互新体验。”

　　

　　单根智能编织电子线成本低于 3 元钱

　　在研究之初，该团队想研究开发一种具有便捷、高效、以用户为中心的自然交互界面。

　　为了克服商用智能设备的平面刚性特征带来的穿戴异物感，他们将具有柔性、轻质及可穿戴性的多功能纤维和嵌入式机器学习算法结合的柔性电子技术，为设计各种类型的智能设备接口提供了独特的技术优势，这使得交互界面更接近人类，也更具有便捷性。

　　值得关注的是，绳结具有细直径、柔软、类一维形态的特点，随着更复杂的编织结构的发展，手工制作技术和自动化处理技术，为日常生活的界面设计提供了更多的可能性。基于智能编织电子绳的交互界面让人可“隐形”地融入人类的生活，让交互方式更便捷、更舒适。

　　

　　图丨编织电子绳的工业制造过程概述（来源：Nature Communications）

　　无感化、可设计、能批量生产是这种智能编织电子绳的独特优势。

　　具体来说，第一，优异的交互性能。据悉，具有螺旋通道分布的智能编织电子绳对不同位置、不同接触面积以及不同运动的手势都可精准识别。值得关注的是，它可承受上万次的按压循环，且在不同温湿度环境下具有稳定的交互准确率，这意味着其使用寿命会很长。

　　

　　图丨基于编织电子绳的人机交互算法系统（来源：Nature Communications）

　　第二，易于制造且成本低至 3 元钱。该团队采用纺织基材与电子基材，利用工业化的包覆、编绳工艺，以及自动化设备大批量制备了基于包芯纱线的智能编织电子绳。陶光明教授表示：“据我们初步估算，单根智能编织电子线的成本大概在 3 元钱左右。”

　　第三，结构可设计。得益于绳的细直径、柔软、类一维形态等特点，基于智能编织电子绳的交互系统有多种设计策略，例如以发绳、手环、乐器、枕头等形态融入生活。

　　

　　在已有科研成果基础上，将进一步与产业界开展合作

　　该团队正在用“一根绳”努力将传统制造业拉向价值链高端，把人工智能推向高精尖智能制造。作为交叉学科的综合研究，需要材料科学和计算机科学方向的研究成员进行反复沟通、不断磨合。

　　在这个过程中，来自不同学科背景的学生作出了各自的贡献。他们依靠长期的经验积累，经过反复沟通、严谨验证，最终得以研发出无感化智能编织电子绳。

　　

　　图丨从左至右分别为：论文共同一作中的博士研究生欧阳静宇、李攀和刘嘉（来源：该团队）

　　据欧阳静宇介绍，研究人员包含电子、纺织、材料、计算机等相关方向。她作为电子背景的学生，需要与纺织及材料背景的爱情片学生经过反复的调研，探索与讨论，确定纱线的制备工艺及结构设计及绳结结构的构筑；同时，需要负责纱线与电路的连接，以及智能编织电子绳的性能测试。

　　主导算法设计及优化工作的刘嘉表示：“在这次研究中最大的收获是培养了迎难而上的勇气。在课题研究的过程中，会不断地遇到实验结果时而与预期不符的情况。我们通过集思广益解决问题以及不断尝试最终克服困难，得到了理想的结果。”

　　李攀进一步指出，作为电子背景的团队成员，通过与计算机背景成员反复沟通，共同进行数据的采集及分析，使得计算机背景的同学能够快速地进行算法设计及优化，最终大家共同呈现了整个工作。

　　陶光明团队主要聚焦于纤维光电子学的交叉学科研究工作，以需求为导向，努力推动基础研究成果服务实际应用。（DeepTech此前报道：华科大研发无源制冷超材料织物，可为人体表面降温近 5℃，辐射制冷领域又一重要进展丨专访；华科大等交叉学科团队研发柔性电磁“发电衣”，助力可穿戴电子持续性发展）

　　2021 年 10 月，该团队成立了光谷实验室运动与健康智能化技术创新中心，以纤维光电子器件为重要载体，为实现健康人群的生理辅助与运动增强、改进疾病保健与康复设施友好程度、提高医疗服务和诊疗装备智能化水平、促进医学和体育运动数字化，提供综合解决方案。

　　据悉，陶光明团队下一步的研究重点聚焦在纤维光电子学的交叉学科，将围绕运动和健康领域的国家战略需求和社会需求开展基础研究工作，并希望在已有成果的基础上，进一步扩大与产业界开展多种形式的合作。

　　参考资料:

　　1.Nature Communications 13, 7097 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-34918-x

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