第一篇?jiǎng)?chuàng)刊論文 - 徐升教授團(tuán)隊(duì)與合作者 Nat. Sensors: 基于深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)型可穿戴傳感器的抗噪人機(jī)交互系統(tǒng)

近日，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型可穿戴系統(tǒng)，使用戶即使在奔跑、乘車或隨海浪漂浮時(shí)，也能通過(guò)日常手勢(shì)精準(zhǔn)控制機(jī)器。該研究由加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布工程學(xué)院化學(xué)與納米工程系徐升教授與Joseph Wang教授共同領(lǐng)導(dǎo)完成。特別一提的是，已于近日加入斯坦福大學(xué)。

2025年11月17日，該研究成果以“A noise-tolerant human–machine interface based on deep learning-enhanced wearable sensors”為題發(fā)表于Nature旗下期刊《Nature Sensors》上, 作為創(chuàng)刊的第一篇文章。它通過(guò)融合可拉伸電子技術(shù)與人工智能，攻克了可穿戴技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)長(zhǎng)期存在的難題：如何在真實(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境中穩(wěn)定識(shí)別手勢(shì)信號(hào)。論文共同第一作者為加州大學(xué)圣地亞哥分校陳相君、婁志遠(yuǎn)、郜曉翔和尹鹿，徐升教授、Joseph Wang教授為通訊作者。

“現(xiàn)有可穿戴手勢(shì)傳感器在用戶靜止時(shí)表現(xiàn)良好，但一旦處于劇烈運(yùn)動(dòng)中，信號(hào)會(huì)嚴(yán)重失真，”論文第一作者、加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布工程學(xué)院化學(xué)與納米工程系博士后研究員陳相君解釋道，“ 我們的系統(tǒng)突破了這一局限。它引入人工智能實(shí)時(shí)濾除運(yùn)動(dòng)噪聲，從而確保用戶在高度動(dòng)態(tài)的環(huán)境中，也能通過(guò)自然手勢(shì)可靠地控制機(jī)器。”

這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。對(duì)于肌肉康復(fù)患者或行動(dòng)不便人士，它意味著無(wú)需精細(xì)動(dòng)作，僅憑自然手勢(shì)即可操控機(jī)器人輔助設(shè)備。工業(yè)工人和應(yīng)急救援人員則可在動(dòng)態(tài)或危險(xiǎn)環(huán)境中，借此遠(yuǎn)程操作工具與機(jī)器人。此外，無(wú)論是潛水員在湍流下，還是遠(yuǎn)程操作者，都能穩(wěn)定控制水下機(jī)器人。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，該系統(tǒng)也有望大幅提升日常手勢(shì)控制的穩(wěn)定性。

研究人員稱，這是首款能在各種運(yùn)動(dòng)干擾下穩(wěn)定運(yùn)行的可穿戴人機(jī)交互系統(tǒng)，能夠真正適應(yīng)人類的自然活動(dòng)模式。

據(jù)陳相君博士演示，該系統(tǒng)集成于一個(gè)可佩戴的臂帶上，其核心是一塊附著于彈性織物上的軟性電路貼片。該貼片集成了運(yùn)動(dòng)與肌電傳感器、藍(lán)牙微控制器以及可拉伸電池，構(gòu)成一個(gè)緊湊的多層系統(tǒng)。系統(tǒng)利用在真實(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境中采集的多樣化手勢(shì)與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)（如奔跑、震動(dòng)、海浪擾動(dòng)）進(jìn)行訓(xùn)練，并通過(guò)定制的深度學(xué)習(xí)框架處理手臂信號(hào)。該框架能有效剝離運(yùn)動(dòng)干擾、精準(zhǔn)識(shí)別手勢(shì)意圖，并實(shí)時(shí)發(fā)送指令控制如機(jī)械臂等外部設(shè)備。

“ 這項(xiàng)技術(shù)讓我們向?qū)崿F(xiàn)全場(chǎng)景、高穩(wěn)定性的人機(jī)交互邁出了關(guān)鍵一步。”陳相君博士表示。

該系統(tǒng)已在多種高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下通過(guò)嚴(yán)格測(cè)試。參與者在奔跑、高頻震動(dòng)及多重?cái)_動(dòng)中，均能使用該系統(tǒng)穩(wěn)定操控機(jī)械臂。在斯克里普斯海洋研究所的海氣相互作用模擬器中進(jìn)行的測(cè)試更具挑戰(zhàn) - 該系統(tǒng)在模擬的實(shí)驗(yàn)室級(jí)及真實(shí)海洋運(yùn)動(dòng)下，同樣表現(xiàn)出極高的識(shí)別準(zhǔn)確率。

研究團(tuán)隊(duì)最初的靈感源于幫助潛水員操控水下機(jī)器人。但他們很快意識(shí)到，運(yùn)動(dòng)干擾問(wèn)題普遍存在于各類可穿戴技術(shù)中，并長(zhǎng)期制約著其在日常生活中的應(yīng)用表現(xiàn)。

“我們的研究為可穿戴傳感器建立了一種全新的抗噪方式，”陳相君博士說(shuō)，“這為下一代可穿戴系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ) - 它們不僅具備可拉伸、無(wú)線化的特性，更能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，并擁有個(gè)性化的學(xué)習(xí)能力。”

圖1. 耐噪人機(jī)接口概述

圖2. 多通道獲取手勢(shì)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)偽跡

圖3. 通過(guò)深度學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)進(jìn)行手勢(shì)分類

圖4. 帶有運(yùn)動(dòng)干擾的實(shí)時(shí)機(jī)械臂控制

視頻 1 -視頻6

圖5. 耐噪人機(jī)接口的水下應(yīng)用

視頻 7

https://www.nature.com/articles/s44460-025-00001-3

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