訪談對(duì)象：路益嘉老師

所在單位：清華大學(xué)機(jī)械工程系設(shè)計(jì)工程研究所

研究方向：生物機(jī)械、摩擦納米發(fā)電機(jī)和集成電路裝備

柔性自驅(qū)動(dòng)傳感器

柔性自驅(qū)動(dòng)生物醫(yī)學(xué)傳感器指的是一類通過(guò)收集人體或周圍環(huán)境的能量和信息，無(wú)需外接電源就能滿足自身電能需求，同時(shí)具有柔性和可拉伸性的生物醫(yī)學(xué)傳感器，可應(yīng)用于對(duì)人體各項(xiàng)生理信息和生命活動(dòng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。根據(jù)其工作環(huán)境是在人體內(nèi)或體外，可以分為植入式自驅(qū)動(dòng)柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器和穿戴式自驅(qū)動(dòng)柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器。根據(jù)其設(shè)計(jì)思路的不同，又可以分為主動(dòng)式和能源式生物醫(yī)學(xué)傳感器。

自驅(qū)動(dòng)柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的電能來(lái)源于人體自身和周圍其他形式的能量，包括機(jī)械能、熱能、光能等。為了收集這些能量，基于不同原理的發(fā)電機(jī)逐漸被科學(xué)家們研發(fā)出來(lái)。目前適用于自驅(qū)動(dòng)柔性生物醫(yī)學(xué)傳感器的發(fā)電機(jī)類型有：壓電納米發(fā)電機(jī)、摩擦納米發(fā)電機(jī)、熱電發(fā)電機(jī)與熱釋電發(fā)電機(jī)。

柔性自驅(qū)動(dòng)傳感器在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用廣泛，可用于呼吸傳感器、脈搏傳感器、人工感覺(jué)器官、電子皮膚、智能可穿戴設(shè)備等。

路益嘉老師提出了一種新穎的可穿戴的柔性唇語(yǔ)解讀系統(tǒng)(Lip Language Decoding System, LLDS)。該系統(tǒng)包含低成本、自供電的柔性摩擦電傳感器和基于原型學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)模型。傳感器將唇部肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)傳輸?shù)浇獯a系統(tǒng)，翻譯成可溝通的語(yǔ)音，可幫助失去發(fā)聲能力的人實(shí)現(xiàn)正常語(yǔ)音交流。同時(shí)，由于唇部肌肉運(yùn)動(dòng)展現(xiàn)出來(lái)的個(gè)體差異顯著，該系統(tǒng)也可用于身份識(shí)別。

系所介紹

設(shè)計(jì)工程研究所

研究所科研工作的研究方向主要包括機(jī)械關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)與機(jī)構(gòu)學(xué)、生物機(jī)械學(xué)與康復(fù)工程等方向。

在關(guān)鍵機(jī)械零部件方面，面向關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)技術(shù)中的重要科學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題和國(guó)家在高端裝備及能源安全方面的重大需求，開(kāi)展了磁流體密封、機(jī)械密封、橡塑密封、航空發(fā)動(dòng)機(jī)密封、水潤(rùn)滑軸承、磁懸浮軸承等多種型式高端密封和特種軸承的深入、廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作。近年來(lái)，在航天航空高參數(shù)磁流體密封、核電一回路機(jī)械密封、重大裝備橡塑密封、高溫高速刷式密封關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得了突出進(jìn)展和重要應(yīng)用。

在機(jī)械動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，發(fā)展了轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)理論，在國(guó)際上較早較系統(tǒng)和全面地分析了旋轉(zhuǎn)機(jī)械常見(jiàn)故障的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，航天器振動(dòng)分析及振動(dòng)抑制技術(shù)已應(yīng)用于航天器設(shè)計(jì)，所開(kāi)發(fā)的水輪發(fā)電機(jī)組和汽輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)已安裝在大量的機(jī)組上，為電力行業(yè)的安全生產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)。

在生物機(jī)械學(xué)方面，開(kāi)展了神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人、植入式假肢、智能假肢、人體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)檢測(cè)與評(píng)價(jià)等研究工作，研制成功具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的上肢機(jī)器人和無(wú)動(dòng)力助行外骨骼，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)控制功能的機(jī)制、功能評(píng)定及康復(fù)方面的研究處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

01

研究您的這個(gè)領(lǐng)域需要專業(yè)的生物學(xué)、解剖學(xué)知識(shí)嗎？

對(duì)于肌肉的解剖學(xué)了解是非常重要的，特別是在處理需要檢測(cè)肌肉運(yùn)動(dòng)的情況時(shí)。每位同學(xué)在設(shè)計(jì)前都需要先去了解肌肉的解剖結(jié)構(gòu)，分析肌肉的分布情況。然后才能確定傳感器的安裝位置。如果你不清楚肌肉的解剖學(xué)分布和肌肉連接的端點(diǎn)，那么布置的傳感器位置就可能出錯(cuò)，導(dǎo)致測(cè)到的結(jié)果不準(zhǔn)確或無(wú)意義。當(dāng)然，這并不難，同學(xué)們可以通過(guò)查閱解剖學(xué)專業(yè)書籍來(lái)了解你所關(guān)注的部位有哪些肌肉，以及肌肉的走向分布和連接點(diǎn)，從而可以準(zhǔn)確地確定待測(cè)量的肌肉分布和安裝傳感器的位置，從而有效地檢測(cè)肌肉的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。事實(shí)上，經(jīng)常健身的同學(xué)對(duì)于人體肌肉的解剖結(jié)構(gòu)一般都有清楚的認(rèn)識(shí)。

02

請(qǐng)問(wèn)清華機(jī)械的智能與生物機(jī)械研究團(tuán)隊(duì)有哪些主要的研究方向？

季林紅教授的智能與生物機(jī)械團(tuán)隊(duì)主要研發(fā)智能康復(fù)機(jī)器人，適用于腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練。腦卒中患者具有局部腦功能障礙，通常會(huì)出現(xiàn)肢體癱瘓的癥狀，對(duì)他們的生活造成很大的困擾。通過(guò)康復(fù)訓(xùn)練可以幫助他們恢復(fù)一部分肢體功能，能夠自己完成一部分日常生活中的事情，這將大大減輕家庭的壓力。

例如，使用上肢康復(fù)機(jī)器人幫助手部功能障礙的患者進(jìn)行訓(xùn)練，在大屏幕上畫圓。在訓(xùn)練初期，由于患者手部無(wú)力和控制較差，機(jī)器人會(huì)主動(dòng)牽引患者的手完成動(dòng)作。當(dāng)患者恢復(fù)一定的力量和控制后，訓(xùn)練方式變?yōu)楸粍?dòng)，讓患者自己帶動(dòng)機(jī)器人完成畫圓。通過(guò)比較患者畫的圓與標(biāo)準(zhǔn)圓的差異，可以評(píng)估患者的康復(fù)情況。當(dāng)患者能夠自主畫出接近標(biāo)準(zhǔn)圓的圖形時(shí)，可以認(rèn)為康復(fù)訓(xùn)練已經(jīng)取得了較好的效果。在這個(gè)過(guò)程中，患者的力量和神經(jīng)感覺(jué)控制都能逐步得到提升。

在康復(fù)過(guò)程中，使用一些智能算法可以幫助康復(fù)機(jī)器人做出更好的決策。例如，會(huì)使用傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)決定康復(fù)處方。

03

實(shí)驗(yàn)室的傳感器、康復(fù)機(jī)器人目前在市場(chǎng)上有什么已經(jīng)投入使用的產(chǎn)品嗎？

關(guān)于康復(fù)機(jī)器人的產(chǎn)品，現(xiàn)在不僅我校在研發(fā)，很多外單位也在開(kāi)展相關(guān)工作，投入市場(chǎng)的產(chǎn)品也不少。我們團(tuán)隊(duì)的產(chǎn)品（如上肢康復(fù)機(jī)器人，無(wú)動(dòng)力助行外骨骼等）主要在康復(fù)中心和醫(yī)院測(cè)試。

我所做的研究目前主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，用創(chuàng)新的想法探索更多的可能性，并探索解決問(wèn)題的新技術(shù)可行性和有效性。后期會(huì)考慮開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

04

您剛剛展示的唇語(yǔ)識(shí)別技術(shù)是可以完全理解唇語(yǔ)還是只能識(shí)別出特定的句子？

我們的技術(shù)只能識(shí)別特定的句子，識(shí)別但是不能理解。在句子理解方面現(xiàn)在有一個(gè)新的分支叫做生成性人工智能，比如現(xiàn)在的 ChatGPT，你說(shuō)一句話，它就能理解你的意思，并據(jù)此生成合理的回復(fù)。這是一種新興的技術(shù)，而我們的方法則相對(duì)簡(jiǎn)單，主要處理的是生活中常用的句子。

我們的訓(xùn)練方法是直接采集數(shù)據(jù)，包括一些生活名詞和常用的句子信號(hào)。我們將這些數(shù)據(jù)訓(xùn)練成模型。當(dāng)傳感器檢測(cè)到你的口型對(duì)應(yīng)的信號(hào)后，訓(xùn)練模型將進(jìn)一步將信號(hào)識(shí)別為具體的詞語(yǔ)或句子。將模型跟生成性人工智能結(jié)合，是我們未來(lái)工作的一個(gè)潛在方向。

05

對(duì)于唇形易混淆的句子，這一項(xiàng)技術(shù)如何做到區(qū)分辨別呢？

大部分的句子是可以直接區(qū)分識(shí)別的，現(xiàn)有的機(jī)器學(xué)習(xí)模型具有這個(gè)能力。如果某些句子的采集信號(hào)僅憑現(xiàn)有的傳感器無(wú)法識(shí)別，可以考慮添加傳感器的數(shù)量。比如當(dāng)處理的數(shù)據(jù)量增加后，總會(huì)有一些詞匯的信號(hào)非常接近。通過(guò)選擇在合適的位置添加新傳感器，一般來(lái)說(shuō)是可以區(qū)分這些相似信號(hào)的。

06

從之前的交流中我們感受到您的研究既有科技含量，又有人文關(guān)懷，您是如何走上這條有人文關(guān)懷的科研道路的？

大概在2018年。在 2018 年之前，我沒(méi)有過(guò)多接觸過(guò)殘疾人，也沒(méi)有與他們有過(guò)緊密的交往，測(cè)試對(duì)象主要是健全人。2018 年我們團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了為我國(guó)冬殘奧選手提供科技支撐的任務(wù)。這個(gè)任務(wù)給了我深入接觸和了解殘疾運(yùn)動(dòng)員的機(jī)會(huì)。

2018 年 11 月，我們科研團(tuán)隊(duì)去訓(xùn)練基地開(kāi)展第一次調(diào)研。那次的調(diào)研經(jīng)歷給我留下了深刻的印象。我們和每位運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行了交談，查看他們的殘障情況，了解他們的需求和困難。為了演示器材的使用情況，他們從輪椅上爬上訓(xùn)練器材，我上前伸手幫忙，卻被他們笑著拒絕。我原以為他們會(huì)覺(jué)得訓(xùn)練很艱辛，但實(shí)際上他們并不這么認(rèn)為。雖然失去了部分肢體功能，但他們認(rèn)為自己完全可以做到規(guī)定要求，精神狀態(tài)和我的預(yù)想差異很大。

調(diào)研結(jié)束的時(shí)候，我們跟隊(duì)員和教練們成了朋友，這次行程我收獲很多，一方面是對(duì)殘疾人的需求有了更實(shí)際的了解和更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，修正了之前我預(yù)設(shè)的一些想法，思考問(wèn)題的時(shí)候會(huì)更多的從他們角度出發(fā)，比如易用性，低成本等；另一方面他們的意志和精神打動(dòng)了我。每當(dāng)我遇到困難時(shí)，我就會(huì)想想他們。

審核編輯：黃飛

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