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蘇州大學(xué)方劍教授團(tuán)隊(duì) AFM：一種基于微納結(jié)構(gòu)自供電傳感紗線的智能網(wǎng)球訓(xùn)練系統(tǒng)
2024-11-12  來源：高分子科技

  近年來，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展極大地推動(dòng)了智能體育訓(xùn)練領(lǐng)域的革新。在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中，每一次精準(zhǔn)的擊球、快速的移動(dòng)和敏捷的反應(yīng)都至關(guān)重要。采用視頻和數(shù)字光學(xué)分析的傳統(tǒng)的高速攝像機(jī)和天眼系統(tǒng)等技術(shù)已應(yīng)用于精準(zhǔn)捕捉運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作并進(jìn)行技術(shù)分析，但操作復(fù)雜且需要的大量財(cái)力和人力投入，這限制了其更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。柔性可穿戴傳感器的出現(xiàn)，改變了現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作追蹤及運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的方式。不過，現(xiàn)有的可穿戴傳設(shè)備因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、依賴電池以及傳感信號(hào)不穩(wěn)定等問題而受到限制。


  近期，蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院方劍教授團(tuán)隊(duì)基于自供電傳感紗線（E-PT紗線）開發(fā)了一種智能網(wǎng)球訓(xùn)練系統(tǒng)，為網(wǎng)球訓(xùn)練帶來前所未有的變革與提升。利用共軛靜電紡絲技術(shù)和連續(xù)涂覆工藝連續(xù)化制備了E-PT紗線，并基于壓電納米纖維和摩擦電硅橡膠涂層成功在其表面形成了獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)，使其能夠耦合壓電和摩擦電效應(yīng)，收集環(huán)境中的機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)而無需額外電池供電即可實(shí)現(xiàn)傳感應(yīng)用。通過ABAQUS建立了E-PT紗線在壓縮過程中的幾何模型，解析其在一個(gè)工作周期內(nèi)的電輸出響應(yīng)機(jī)制，即通過接觸-變形-恢復(fù)-分離四個(gè)階段疊加摩擦電和壓電信號(hào)，有效增強(qiáng)能量輸出，并通過COMSOL有限元模擬進(jìn)一步驗(yàn)證該原理，其最高輸出功率密度可達(dá)26.72 μW/m2。


圖1 智能網(wǎng)球訓(xùn)練系統(tǒng)


  基于E-PT紗線所開發(fā)的智能網(wǎng)球訓(xùn)練系統(tǒng)通過集成機(jī)器學(xué)習(xí)算法、智能傳感系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)反饋APP程序，為運(yùn)動(dòng)員和教練提供了一種全新的訓(xùn)練工具。智能傳感系統(tǒng)由9通道傳感E-PT紗線陣列制成的智能網(wǎng)球拍和由自供電傳感紗線通過橫機(jī)織造而成的針織物（E-PT織物）制成的智能護(hù)肘組成，能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并同時(shí)收集與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的電信號(hào)。為進(jìn)一步準(zhǔn)確分類和識(shí)別這些電信號(hào)，采用基于圖像處理的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型，它能夠有效捕捉圖像中的空間相關(guān)性，即相鄰像素之間的值通常是相關(guān)的，該相關(guān)性對(duì)于理解圖像中的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容至關(guān)重要，同樣適用于電壓波形圖像的識(shí)別任務(wù)。在人體運(yùn)動(dòng)過程中，E-PT織物收集到的電壓信號(hào)可能會(huì)受到電極位置的影響，產(chǎn)生雜亂的干擾信號(hào)，增加精確區(qū)分和識(shí)別任務(wù)的難度。CNN模型通過深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，能夠從電壓波形圖像中提取關(guān)鍵特征，并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確去噪和識(shí)別。在識(shí)別和分類網(wǎng)球相關(guān)動(dòng)作姿勢(shì)任務(wù)及網(wǎng)球擊打角度任務(wù)中其準(zhǔn)確率分別高達(dá)95%和98.3%。


圖2 姿勢(shì)監(jiān)測(cè)模塊


圖3 擊球監(jiān)測(cè)模塊與系統(tǒng)集成


  網(wǎng)球訓(xùn)練系統(tǒng)包括兩個(gè)核心模塊：網(wǎng)球姿勢(shì)監(jiān)測(cè)和擊球監(jiān)測(cè)。姿勢(shì)監(jiān)測(cè)模塊（模塊Ⅰ）專注于分析運(yùn)動(dòng)員擊打網(wǎng)球的姿勢(shì)，以確保技術(shù)動(dòng)作的正確性。擊球監(jiān)測(cè)模塊（模塊Ⅱ）則專注于分析擊球的角度和位置，為運(yùn)動(dòng)員提供擊球技巧的實(shí)時(shí)反饋。通過與特定的APP程序相結(jié)合，該系統(tǒng)能夠提供直觀的反饋和數(shù)據(jù)分析，幫助教練優(yōu)化訓(xùn)練方法，幫助運(yùn)動(dòng)員提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。與傳統(tǒng)的智能體育訓(xùn)練系統(tǒng)相比，這項(xiàng)研究開發(fā)的實(shí)時(shí)網(wǎng)球訓(xùn)練系統(tǒng)具有輕便、成本低、易于部署和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠大大提高系統(tǒng)的便攜性和實(shí)用性，使得它們更適合大規(guī)模應(yīng)用。該工作以“A Self-powered Tennis Training System Based on Micro-Nano Structured Sensing Yarn Arrays”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上（Adv. Funct. Mater. 2024, 2414395）。文章第一作者為蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院博士研究生陳錢，蘇州大學(xué)方劍教授和牛麗講師為本文的共同通訊作者。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414395

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（責(zé)任編輯：xu）
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