Lichtbetriebene Sensoren ermöglichen Patienten mit eingeschränkter Mobilität eine fortschrittliche tragbare Rehabilitation

Pohang University of Science &Technology, Pohang, Südkorea

Erkennung der dreiachsigen Schulterrotationsbewegungserkennung mittels multiaxialer Dehnungskartierung. (Bild:POSTECH)

Kürzlich spendete ein koreanisches Unternehmen einem Krankenhaus einen tragbaren Roboter, der Patienten mit eingeschränkter Mobilität während ihrer Rehabilitation unterstützen soll. Die Patienten tragen diesen Roboter, um Unterstützung bei Muskel- und Gelenkübungen bei Tätigkeiten wie Gehen oder Sitzen zu erhalten. Tragbare Geräte wie Smartwatches oder Brillen, die Menschen tragen und auf ihrer Haut befestigen, haben das Potenzial, unsere Lebensqualität zu verbessern und bieten für manche Menschen einen Hoffnungsschimmer, ähnlich wie diese Roboterinnovation.

Die in diesen Rehabilitationsrobotern verwendeten Dehnungssensoren analysieren Daten, indem sie spezifische physikalische Veränderungen in bestimmten Regionen in elektrische Signale umwandeln. Diese besonders flexiblen Sensoren sind biegsam und in der Lage, selbst die subtilsten Körperveränderungen zu messen, da sie aus leichten Materialien hergestellt sind, um eine einfache Befestigung auf der Haut zu ermöglichen. Allerdings weisen herkömmliche Soft-Dehnungssensoren aufgrund der Anfälligkeit gegenüber äußeren Faktoren wie Temperatur und Feuchtigkeit häufig eine unzureichende Haltbarkeit auf. Darüber hinaus stellt ihr komplizierter Herstellungsprozess Herausforderungen für eine breite Kommerzialisierung dar.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Sung-Min Park von der Fakultät für Konvergenz-IT-Technik und der Fakultät für Maschinenbau und dem Doktoranden Sunguk Hong von der Fakultät für Maschinenbau der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) hat die Einschränkungen dieser Sensoren für weiche Dehnungen erfolgreich überwunden, indem es Computer-Vision-Technologie in optische Sensoren integriert hat. Ihre Forschungsergebnisse wurden in Flexible Electronics vorgestellt .

Das Team entwickelte im Rahmen seiner Studie eine Sensortechnologie namens Computer Vision-based Optical Strain (CVOS). Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren, die auf elektrischen Signalen basieren, nutzen CVOS-Sensoren Computer Vision und optische Sensoren, um optische Muster im Mikromaßstab zu analysieren und Daten zu Änderungen zu extrahieren. Dieser Ansatz erhöht von Natur aus die Haltbarkeit, indem er Elemente eliminiert, die die Sensorfunktionen beeinträchtigen, und die Herstellungsprozesse optimiert, wodurch die Kommerzialisierung des Sensors erleichtert wird.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren, die ausschließlich zweiachsige Dehnungen erfassen, weisen CVOS-Sensoren die außergewöhnliche Fähigkeit auf, dreiachsige Rotationsbewegungen durch multiaxiale Dehnungskartierung in Echtzeit zu erkennen. Im Wesentlichen ermöglichen diese Sensoren die präzise Erkennung komplexer und unterschiedlicher Körperbewegungen durch einen einzigen Sensor. Das Forschungsteam untermauerte diese Behauptung durch Experimente, bei denen CVOS-Sensoren auf Hilfsmittel bei Rehabilitationsbehandlungen angewendet wurden.

Durch die Integration eines KI-basierten Antwortkorrekturalgorithmus, der verschiedene Fehlerfaktoren korrigiert, die bei der Signalerkennung auftreten, zeigten die Experimentergebnisse ein hohes Maß an Vertrauen. Selbst nach mehr als 10.000 Iterationen behielten diese Sensoren konstant ihre außergewöhnliche Leistung bei.

Park, der die Forschung leitete, erklärte:„Die CVOS-Sensoren zeichnen sich durch die Unterscheidung von Körperbewegungen in verschiedenen Richtungen und Winkeln aus und optimieren so wirksame Rehabilitationseingriffe. Durch die Anpassung von Designindikatoren und Algorithmen an bestimmte Ziele haben CVOS-Sensoren ein grenzenloses Potenzial für branchenübergreifende Anwendungen.“

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