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
融合传统文化与现代科技——千年绝技炼就哪吒木偶
在世遗泉州,哪吒走进国家级非遗提线木偶中,《哪吒·绝地反击》提线木偶戏已由泉州市提线木偶戏传承保护中心创排出炉、首演,将于6月1日起正式推出。
服装选啥颜色?风火轮如何“轮动”?龙王怎么精准变身喷雾?申公豹出招用射箭还是激光?融合传统文化与现代科技——
千年绝技炼就哪吒木偶
□融媒体记者 黄耿煌/文 泉州市提线木偶戏传承保护中心/供图(除署名外)
电影《哪吒之魔童闹海》自大年初一上映以来,持续火热,全球票房已超157.03亿,并将延长放映至5月31日。
而在世遗泉州,哪吒也走进国家级非遗提线木偶中,《哪吒·绝地反击》提线木偶戏已由泉州市提线木偶戏传承保护中心创排出炉、首演,将于6月1日起正式推出。
哪吒射箭、龙王喷水、混天绫大战天将……剧中的精彩情节令人拍案叫绝,英气可爱、活灵活现的哪吒造型令孩子们追捧合影。一出木偶戏,处处有创意。日前,记者采访部分创作人员,了解背后的故事。
非遗技艺加持声光电特效
让观众如痴如醉叫好连连
酣畅淋漓武打戏是《哪吒·绝地反击》的重头戏。当申公豹出招时,一道绿色的激光射出,视觉效果瞬间拉满;龙王敖广现出龙形真身,口吐烟雾与天将盘旋战斗,影视氛围感浓烈;哪吒使出混天绫翻飞如电,风火轮旋转生风,将天将打得连连败退。
这样的声光电特效与提线木偶的高超技艺融合在一起,将视听效果拉满。
为了达到这样的演出效果,泉州市提线木偶戏传承保护中心发挥深厚积淀,运用表演技巧,巧妙地将现代技术融入提线木偶戏表演细节当中。

申公豹劝住正与龙王敖广打斗的哪吒,与地底的李靖夫妇共同道明原委。(王柏峰 摄)
表演效果是第一位的。申公豹出招原本是射箭,这在木偶表演当中已经不是问题,但考虑到观众视觉效果,大家提出用激光来表现。“激光具有神秘氛围,又有新意,比之射箭,观众更能看清。”一级演员、哪吒木偶结构设计者沈苏革介绍,使用激光也符合神话剧的特点,又正好有出招击敌的情节,利用起来十分贴切。

龙王敖广现出真身龙形,喷雾战天将。(王柏峰 摄)
打斗中,龙王敖广现出龙形真身,与天将喷雾缠斗。怎么让龙王跟着剧情精准变身、喷雾?创作人员吸收杖偶的特点,创作出一只龙形杖偶作为龙王敖广的变身效果。为了让龙王喷雾,做了各种试验。“一般来说,我们可以在龙嘴里安装喷雾装置来遥控喷雾,也可以采用人工控制喷雾器来喷雾。”沈苏革介绍,经过测试,最终采用人工喷雾方案,“可以跟着打斗情节需要,在某一个点位和瞬间,精准、快速地喷雾,也避免了网络延迟情况的出现,让雾喷得恰到好处。”

踩着风火轮的哪吒

混天绫大战天将(王柏峰 摄)
对于观众最为关注的哪吒,创作人员更是精巧设计。如何让风火轮有“轮动”的感觉?沈苏革介绍,创作中,大家将小电风扇、LED灯结合起来,通电后,灯亮起、风扇转动,哪吒踩着风火轮风驰电掣的感觉就出来了。打斗中,如何让混天绫足够灵动、显眼?创作人员舍去提线方案,选用了一条红布,绑在木杖中,由演员像杖偶一样手持木杖,舞动“变大”的混天绫,灵活地从各个角度、方向与天将缠斗,视觉效果拉满。哪吒要像孙悟空舞动金箍棒那样耍花枪,怎么才能做到?沈苏革介绍,提线木偶表演中有耍花枪的技巧,在设计哪吒木偶结构时,根据长年木偶表演经验,确定线位穿在哪吒手腕上的哪一个点位最合适,然后表演调试,直到找到最佳位置,让哪吒把花枪耍得眼花缭乱,激活传统记忆,呈现最佳的视觉效果。
“整出戏,我们巧妙地运用灯光、音效,将传统技艺与科学技术融合在一起,增添木偶戏表演效果,让观众在听觉、视觉上既能延续传统记忆,又让人耳目一新,创意十足。”沈苏革说,这离不开泉州市提线木偶戏传承保护中心在日常工作中始终关注科技产品,不断摸索,把新技术、新方法应用到非遗技艺里,增加表演的色彩与效果,让传统戏剧不断焕发新生。
而这种传统戏曲中罕见的奇幻场景也让观看首演的观众目不转睛、如痴如醉,得到了全新体验,给予高度评价。
神话元素融合偶戏特技
名家汇聚创新视听盛宴
一双大眼两剑眉,丸子头上红发绳,红裤白衣蓝束腰,红缨少年耍乾坤。提线木偶剧中,哪吒形象雄姿英发、明艳潇洒,有丰满、圆隆的唐之气象,婉约、精致的宋之典雅,满满“唐风宋韵”,在提线木偶舞台上非常显眼、夺目。

国家级非物质文化遗产代表性传承人林聪鹏创作哪吒木偶头
“这出戏,可谓名家汇聚。”泉州市提线木偶戏传承保护中心副主任林建裕介绍,提线木偶戏《哪吒·绝地反击》由国家一级编剧、泉州市提线木偶戏传承保护中心艺术总监王景贤担任编剧并执导,国家级非物质文化遗产代表性传承人林聪鹏创作哪吒木偶头,一级演员沈苏革等制作木偶结构,演员兼服装制作师陈銮治、“90后”新锐木偶服装设计师陈小翊设计制作服装,可谓“三千宠爱集一身”,“大家通力协作,确保每个细节兼具艺术性与技术性”。
“木偶戏与人戏不同,应该尽可能发掘偶戏的表演特点。”全国木偶界著名编剧王景贤介绍,木偶戏《哪吒·绝地反击》中,哪吒的混天绫、风火轮与天将搏斗的动态美感,龙王敖广的“真龙现形”,以及申公豹施展幻术的奇幻场景,为演出增添了别具偶趣的桥段。可以说,观众看到的这出泉州提线木偶戏的哪吒戏,也是传统戏曲中罕见的突破。
“我们希望通过这样的创新,让提线木偶这门千年技艺,既能在剧场里赢得掌声,也能在文旅融合的浪潮中走得更远。”王景贤表示,该剧融合神话元素与偶戏特技,充分发挥泉州提线木偶戏表演与音乐的艺术特点,力求打造一场兼具传统文化底蕴与现代观赏性的视听盛宴。
戏曲造型加二次元风格
少年英雄既典雅又现代

木偶哪吒深受小朋友们喜爱 (黄耿煌 摄)
木偶戏《哪吒·绝地反击》中,哪吒服饰色彩明亮、造型精美现代,舞台上极为亮眼、舞台下深受小朋友喜爱。负责哪吒服装设计制作的是二级演员兼服装制作师陈銮治和“90后”木偶服装设计师陈小翊。
“日常在木偶服装设计时,一直在思考怎么在偶戏中加入现代审美,又不脱离传统戏曲的范畴,实现融入、不违和。”陈小翊说,进入泉州市提线木偶戏传承保护中心工作10年来,虽已参加过提线木偶戏《卢俊义》《铁窗蝴蝶》《风雨桃花山》《小金刚传奇》等近10部木偶戏的服装、盔帽设计制作工作,设计哪吒服饰仍然深感“压力山大”。
木偶戏里的哪吒服装,要表现出少年英雄气概,又不能与电影、电视剧、动画片甚至其他戏曲里的哪吒过于相像,以免产生知识产权问题。此外,还要保留传统戏曲的元素。沈苏革说,这十分考验服装设计能力。
为了做好哪吒服装造型设计,陈小翊参考多种戏曲里哪吒的形象、重温了电影《哪吒之魔童闹海》,又结合自己日常打游戏、看动画时对二次元风格的留意,综合考虑哪吒的服装造型。同时,又为哪吒加入传统木偶形象里常见的云肩、剑带设计,避免脱离传统戏曲风格。
“哪吒是主角,需要用浓烈的色彩去赋予他生命,彰显他桀骜不驯又正直善良的性格。”基于这样的思考,陈小翊在原定红色主色调的基础上,又加入了高饱和的孔雀蓝来进行碰撞,突出这个角色的多面性。
提线木偶的表演操作方式,决定了设计上的局限性,“我们不能把关节部位暴露在观众视野里面,这不美观”,为此,陈小翊为哪吒的手臂、脚等各个部位做了包裹的设计。而同时,提线木偶身上不能有太多装饰品,减少勾线风险,以免影响演员老师的表演。为此,哪吒佩戴的璎珞和手镯,选用刺绣来取代饰品。
而在服装材质的选择上,为了扩大选择范围,陈小翊从网络精心选购布料,并在木偶演员兼服装制作师陈銮治的指导下,判断相应布料的材质、软硬度是否适合木偶服装,适合放在哪一部分,会否影响木偶动作,做到美观与合用的统一。
孔雀蓝腰封、传统戏曲莲花云彩纹路,红、白、蓝撞色处理,经过巧妙融合的哪吒就这样青春洋溢、意气风发地站立在舞台之上、观众面前。
责任编辑:黄冬虹
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