基于微機電系統慣性傳感器的智能服裝研究進展

姚之杰,朱達輝

(東華大學 服裝與藝術設計學院,上海 200051)

隨著時代科技的快速發展以及工業數字化的轉型升級,智能服裝受到越來越多人的關注。智能服裝是多學科、多領域交叉的產物,其集成了先進技術與前沿紡織材料,通過置入各類微型化、柔性化的電子元器件,智能服裝滿足了人們除日常服用需求以外的多種功能性需求,因此在運動健身、醫療保健、軍事安全、特殊作業等眾多領域被廣泛應用與研究[1-2]。智能服裝的基本構成包括服裝本體、傳感器、處理器、執行器及電子單元等,其中傳感器作為核心組件決定了智能服裝的功能特點。

慣性傳感器是常見的智能傳感器之一,主要應用在游戲設備、平板電腦以及智能手表、智能手環等可穿戴設備中。隨著近幾年微機電系統(Micro-electro-mechanical system, MEMS)技術的快速發展,基于MEMS技術的慣性傳感器因具有體積小、質量輕、低功耗、高靈敏等優勢[3]而受到關注。MEMS慣性傳感器的出現一方面推動了多元傳感器的集成化發展,同時使其與智能服裝的結合在多個領域具有廣闊的應用空間。

本文主要總結了MEMS慣性傳感器的發展狀況,對其構成元件及工作原理進行說明,同時分析了MEMS慣性傳感器在運動健身、醫療健康、安全防護等智能服裝領域中的應用現狀與技術特點。在此基礎上指出當前MEMS慣性傳感器在智能服裝領域應用中所面臨的問題,并對其未來發展趨勢進行展望。

1 MEMS慣性傳感器的研究現狀

與傳統慣性傳感器不同,MEMS慣性傳感器最早由半導體晶片制造工藝演變而來[4],并隨著MEMS技術、集成電路技術和加工工藝的進步,以其輕便、低能耗、高精度、易集成等特點在消費電子產品、汽車導航、航空航天、移動應用等多個領域受到青睞,有著良好的應用前景。MEMS慣性傳感器主要包括MEMS加速度計、MEMS陀螺儀、MEMS磁力計[5],在實際使用中也會將其中的二者或三者組合為MEMS慣性測量單元(MEMS-IMU)來提高測量精確性。

1.1 MEMS加速度計

加速度計是測量運動物體加速度的主要傳感器件,也是重要的慣性敏感元器件。加速度計的原理主要依據牛頓第二定律,在運動過程中物體產生加速度,導致在加速度計的阻尼系統中,由彈簧牽引的質量塊受慣性做出反向位移,進而產生電壓信號變化,以此來測得外界的加速度值。近年來,微機電系統技術的出現推動了MEMS加速度計的快速發展。MEMS加速度計按傳感方式可分為壓阻式、電容式、壓電式、熱敏式等多種類型;按照加工工藝又可分為表面工藝與體硅工藝2種[6]。不同類型的MEMS加速度計在靈敏度、穩定性等方面各有優缺點,其對比分析如表1。

表1 不同類型MEMS加速度計的對比分析Tab.1 Comparative analysis of different types of MEMS accelerometers

隨著微電子技術與微制造技術的發展,尤其基于腔光力系統技術的發展,國內外對MEMS加速度計的研究正不斷深入,研發了諸如微光機電系統(Micro Optical Electro Mechanical System,MOEMS)加速度計等更高精度、高性能和高度集成的加速度計以滿足未來更多需求[7-8]。

1.2 MEMS陀螺儀

陀螺儀是用于測量物體角速度與角位置的器件,由于加速度計在運動狀態下各軸向會產生含重力的加速度值,因而需要配合陀螺儀進行運動狀態下的姿態角解算。與傳統陀螺儀相比,MEMS陀螺儀以哥式效應(Coriolis)即科里奧利力為基礎[9],通過內部電容變化來測算角速度值。圖1所示為ADXRS645型微陀螺儀(美國亞德諾(ADI)公司)外形圖,其沒有旋轉部件與軸承,更近似固態器件的結構,所以MEMS陀螺儀具有鮮明特點:抗震、抗沖擊性能強、尺寸小、質量輕、功耗低、成本低且易于批量生產,無論是在商用還是民用領域都擁有廣闊的市場前景[10],如在智能手機中加入MEMS陀螺儀可以增強拍照防抖,實現定位導航、計步等功能[11]。但由于現代技術的局限性,MEMS陀螺儀也存在一定缺陷,在使用過程中會產生較大漂移和噪音導致精度下降。目前針對MEMS陀螺儀的誤差補償研究主要采用Allan方差、自回歸滑動平均模型(Auto-Regression and Moving Average Model)、小波閾值法(Wavelet Thresholding)、人工神經網絡(Artificial Neural Network)等方法[12-13],均取得了優異的補償效果,為未來更高要求的場合應用提供了可能性。

圖1 ADXRS645微陀螺儀外形圖Fig.1 ADXRS645 micro gyroscope form factor

1.3 MEMS磁力計

磁力計是用于測量磁場強度和定位方向的傳感器。MEMS加速度計與陀螺儀在使用過程中存在姿態發散[14]問題導致精度差、定位時間短,依靠磁力計可以更好測算出載體方位角信息,解決姿態發散問題從而提高數據準確性。基于微機電系統技術的MEMS磁力計體積小、成本低,并且無磁滯或磁飽和現象、穩定性強[15],是目前最具應用潛力的磁傳感器之一,滿足了未來設備微型化、低成本的需求。盡管MEMS磁力計具備上述優勢,但其精度易受外界干擾,因此利用新技術、新材料對磁力計進行誤差補償校正是當前研究的重點方向[16]。

1.4 MEMS慣性測量單元

慣性測量單元(Inertial Measurement Unit,IMU)是用于測量物體三軸姿態角及加速度的裝置,一般由加速度計和陀螺儀組合而成,有的也會加入磁力計。隨著MEMS加速度計與MEMS陀螺儀的快速發展,1994年Draper實驗室成功研制出由3個MEMS加速度計和3個MEMS陀螺儀組成的微機電系統慣性測量單元(MEMS-IMU)[17]。盡管MEMS-IMU在精度與性能參數上遜色于光纖IMU與激光IMU[18],但其繼承了MEMS慣性傳感器高集成、小體積、低功耗、低成本等優勢,因此在眾多領域具有良好適用性。目前較為先進、成熟的商用MEMS慣性測量單元產品多為歐美等發達國家所研發,包括意大利意法半導體(ST)公司的LSM6DSM,德國博世(BOSCH)有限公司的BMI260,日本TDK集團的ICM-42688-P等,如圖2所示,而國內針對MEMS-IMU的研究起步較晚,目前仍具有一定差距。

圖2 代表性MEMS-IMU產品Fig.2 Representative MEMS-IMU products

隨著國內外對傳感器的材料、工藝技術、誤差補償方法的深入研究,未來MEMS慣性傳感器的數據采集準確性將得到進一步提升,并能適用于不同場景,為其在智能服裝中的應用提供支持。

2 MEMS在智能服裝領域中的應用現狀

嵌入MEMS慣性傳感器的智能服裝在運動健身、醫療健康以及安全防護等領域的應用是當下的研究熱點之一,主要體現在對穿著者的姿態檢測、跌倒識別和動作捕捉等方面。

2.1 運動健身領域

基于MEMS慣性傳感器的運動健身類智能服裝在運動姿態分析、運動負荷監測、鍛煉效果評估等方面發揮著重要作用。由慣性測量單元組成的可穿戴傳感系統相較視頻動作捕捉系統或光學運動捕捉系統更為便捷、可靠和高效,能夠適應不同環境及運動狀態進行實時數據采集[19-20]。洪文進等[21]設計了一款以MEMS微傳感主控模塊為核心的智能運動內衣系統,置入了基于MPU6050模塊的JY61型號MEMS慣性傳感器作為信號采集模塊,通過設定20 Hz和100 Hz 2種頻射閾值來判斷穿著者運動狀態,實時記錄人體原始運動數據從而保證運動安全。圖3所示為由BAX-U公司推出的BAX-U智能高爾夫運動衣,是一款嵌入包含MEMS慣性傳感器等多元傳感模塊的智能運動服。BAX-U智能運動衣在肩部、背部、盆骨及臀部添加傳感器來實現360°捕捉用戶日常生活及高爾夫運動過程中的姿態,同時配合APP進行動畫還原,幫助用戶減少在運動過程中因姿勢不當導致的運動損傷以提高其運動表現。

圖3 智能高爾夫運動衣BAX-UFig.3 Smart golf sportswear BAX-IU

除了針對智能運動服裝本體的研究以外,隨著物聯網技術與無線通信技術的發展,國內外學者開始研發能夠長期實現運動監測及數據反饋的智能服裝系統。在王玉祥[22]開發的面向體育訓練與康護的智能服裝系統中,其結合了基于BMX160九軸運動傳感器的可穿戴智能服裝和基于Pyqt5程序開發庫的軟件上位機,實現了對人體關節運動姿態的信息采集、反饋以及數據的三維可視化,輔助用戶進行運動健康管理的同時提升了人機交互的體驗感。Chen等[23]采用意法半導體(ST)公司的STM32L151微傳感芯片開發了一套針對藝術體操運動的可視化系統,通過MEMS慣性傳感器結合低通濾波精準捕捉運動員的體操姿勢,實現全面的運動信息分析,便于評估運動損傷并提供專業運動指導。

由此可見,MEMS慣性傳感器在智能運動服裝的功能表現中發揮了重要作用。隨著近年來大健康產業的蓬勃發展,基于MEMS慣性傳感器的智能運動服裝受到市場青睞,其使用場景也將進一步擴大。

2.2 醫療健康領域

在醫療健康領域,國內外學者依靠MEMS慣性傳感器對加速度、角速度的測算開發了擁有諸如步態監測、姿態矯正等功能的智能服裝產品。李帥[24]針對職業人群長期久坐導致不良坐姿的健康問題設計了多傳感器協同的智能矯姿服裝系統。該系統將MPU6050慣性傳感器與貼片電動機、蜂鳴器等元件組合,分別放置于人體頸椎C7與胸椎T8位置來監測脊椎曲度變化和靜坐時長。當MEMS微傳感器監測到加速度幅值持續20 min小于10 m/s2或姿態角持續6 s大于20°時,貼片電動機與蜂鳴器會發出震動及聲音提示,以此避免穿著者長時間久坐以及時糾正不良坐姿。高遠航[25]將柔性慣性傳感器集成在彈力運動褲中,利用九軸MEMS慣性傳感器BWT901CL建立肢體坐標系,通過卡爾曼濾波測算角速度獲得膝關節角度,從而對穿戴者的異常步姿進行監測,為病情評估提供量化數據。

新型冠狀病毒(Covid-19)爆發以來,基于MEMS微傳感器的可穿戴智能服裝及相關產品也為遠程智慧醫療服務帶來了新的解決方案[26]。Armands等[27]開發了一款用于醫療保健的可穿戴傳感器服裝。圖4所示為用于醫療保健的可穿戴傳感器服裝,該服裝利用Ohmate彈性電線將多個BNO055型號MEMS微傳感器連接,并為電子元件及電池模塊設計了可拆卸的3D打印塑料外殼以保證服裝的可水洗性。通過傳感器能夠遠程對用戶進行生理活動監測,尤其針對身體虛弱、具有運動障礙的患者能夠進行遠程監督和病情評估,及時進行治療干預,為后續醫療方案制定提供依據。

圖4 用于醫療保健的可穿戴傳感器服裝Fig.4 Wearable sensor clothing for healthcare

2.3 安全防護領域

采用MEMS慣性傳感器開發的智能防護服裝在特殊作業、極限運動以及弱勢群體等防護領域中具有廣泛的應用價值,如在老年人防摔服中嵌入MEMS慣性傳感器,能夠實現跌倒識別和預警,及時將數據反饋至親屬或遠程醫療機構從而保證老人的安全[28-30]。李子丹等[31]設計的一款老年人智能化防摔馬甲中,基于MEMS微傳感器對老人人體加速度與位移距離進行閾值設定。當摔倒發生時,人體加速度閾值異常即會觸發警報系統并通過GPS發送信息至指定聯系人,同時自動引爆在腰部的安全氣囊裝置提供緩沖,避免老人摔倒后產生二次傷害。

基于MEMS慣性傳感器的氣囊啟動裝置也被用于高墜防護服、摩托車防護服、馬術防護服等智能安全防護服中[32-33]。杜子文等[34]在為高空作業人員開發的3款智能安全氣囊高墜防護空調服中,利用由微傳感器疊加濾波器組成高精密度跌落識別裝置。該裝置通過陀螺儀測算人體姿態旋轉狀態,通過重力及線性加速度計測量加速度值,從而精準判別工人危險情況并觸發氣囊裝置,實驗證實該款智能服裝對墜落人員的髖關節、頸椎部位具有良好防護效果。2015年,瑞士安全生產商POC與法國In&Motion公司聯合開發了滑雪智能氣囊背心Spine VPD 2.0,見圖5。Spine VPD 2.0使用一系列集成式傳感器檢測運動員沖擊水平,通過內部算法判定是正常飛躍、降落還是發生意外危險情況。利用慣性傳感器的監測數據能夠及時開啟氣囊,對運動員的脖頸、脊椎、臀部等重要人體部位提供緩沖防護,保障運動員生命安全。

圖5 滑雪智能氣囊背心Fig.5 Ski smart airbag vest

綜上所述,智能服裝利用MEMS慣性傳感器對人體的加速度值、位移距離及姿態角進行數據采集,并借助無線通信技術、物聯網技術、虛擬現實技術等新興科技實現健康監測、姿態矯正、運動防護等功能,滿足了不同穿著者在不同使用場景中的多樣化需求。

3 MEMS在智能服裝中的應用問題分析

MEMS慣性傳感器與智能服裝的結合在服裝本體與電子元器件的開發上均面臨挑戰。基于MEMS慣性傳感器的智能服裝需要確保采集數據的準確性及安全性,同時服裝本體的舒適性和美觀性問題應當予以重視。為了實現智能服裝的可持續化發展,還需通過新材料與加工工藝解決此類服裝的耐水洗性和耐久性問題。

3.1 數據準確性

微加速度計與微陀螺儀在實際使用中因自身安裝、信息傳輸或外界干擾易產生零點漂移、溫度漂移等誤差問題,導致傳感精度下降,采集數據不準確。因此,針對智能服裝中的傳感元件在硬件和軟件層面的誤差補償亟待解決,如使用新材料、改進加工工藝或基于神經網絡[35]等補償算法來提高姿態檢測精度,保障數據準確性。

3.2 服用安全性

嵌入MEMS慣性傳感器件的智能服裝目前存在物理安全與信息安全問題[36]。一方面,電子元件本身在材質、加工工藝等方面存在安全隱患;另一方面,基于無線通信技術的個人信息存儲、傳輸和反饋需得到數據的保護及監管,建立標準體系保證“E安全”[37],防止由微傳感器采集到的隱私數據產生泄露或非法使用問題。

3.3 舒適性與美觀性

MEMS慣性傳感器常被安裝在人體軀干關節部位以此來檢測活動姿態,而傳統剛性材料與服裝本體的結合會導致服裝的穿著舒適性及耐久性大大降低。并且,當前針對智能服裝的研究往往側重于傳感器等電子元件及相關技術的功能性開發,而忽略了穿著者的審美需求,智能服裝的美觀性亦有待提高。

3.4 耐水洗性與耐久性

智能服裝的日常水洗及保養問題一直以來備受關注。現有智能服裝產品主要依靠模塊化的可拆卸設計實現日常洗滌,而慣性微傳感元件與電路系統本身的防水性、耐水洗性[38]仍需增強,如使用新材料或工藝從而提高智能服裝的使用壽命。此外,微傳感器在日常使用中存在摩擦、拉伸變形等情況,智能服裝的耐久性問題同樣面臨挑戰。

4 未來趨勢與展望

依托微電子技術、傳感技術及通信技術等高新科技的發展,微型MEMS慣性傳感器與智能服裝的結合在諸如智慧醫療、智慧養老、智慧健身等領域具有良好的市場前景和發展潛力。基于MEMS慣性傳感器的智能服裝開發需要充分考慮服用性能、服裝本體及電子元件材質、消費者需求、生產技術等多重因素,并朝著集成化、智能化、人性化方向不斷發展。

4.1 多功能集成化

面對用戶多樣化、個性化需求的增多以及對數字化生活的不斷深入探索,僅具備單一功能的智能服裝不足以滿足未來的市場需求。基于MEMS慣性傳感器的智能服裝應結合互聯網技術、物聯網技術、人工智能技術等多種前沿科技,打造多功能集成化的智能服裝系統。如黃東鋒等[39]將MEMS慣性傳感器與虛擬現實技術結合開發了下肢康復用的可穿戴設備系統,通過技術融合實現醫療康復的步態監測、3D交互式的游戲娛樂與遠程醫療服務等多重功能。

4.2 柔性化與微型化

柔性傳感器與柔性織物的開發為MEMS慣性傳感器與智能服裝的結合提供了新思路。采用聚合物材料、薄膜材料及紡織材料等柔性基底材料與傳感材料融合[40-41],開發柔性化的傳感器、電池和導線,從而提升智能服裝的服用舒適性。同時,納米技術與集成技術的發展也推動MEMS慣性傳感器進一步微型化,為多元件集成提供可能。

4.3 可兼容與可循環

在萬物互聯的時代,智能服裝的兼容性受到關注。MEMS慣性傳感器采集的人體數據除了搭配服裝產品自身的APP使用外,可考慮與用戶所使用的多個平臺進行信息系統兼容,實現數據的共享和及時同步[42]。此外,應關注智能服裝的綠色化、可持續化發展,通過材料、工藝或功能的創新提高其使用價值,增強其循環使用能力。

5 結束語

本文主要從微機電系統(Micro-electro-mechanical system, MEMS)慣性傳感器的發展現狀入手,分析了MEMS慣性傳感器在運動健身、醫療健康、安全防護等不同智能服裝中的應用,明確了當前此類智能服裝發展所面臨的問題與未來趨向。國內對于MEMS慣性傳感器的研究尚處于起步階段,基于MEMS慣性傳感器的智能服裝需在硬件與軟件上不斷優化,保障傳感器在數據采集方面的準確性與安全性。同時應重視智能服裝本體的舒適美觀問題與可持續發展問題。針對現有問題及市場需求,未來的研究應重點關注智能服裝的多功能集成化發展,基于新材料與技術開發柔性、微型的傳感元件,并提高服裝的兼容性和循環性。通過MEMS慣性傳感器結合前沿科技,搭建更為智能化的服裝系統,推動智能服裝集成化、互聯化、人性化、綠色化發展。