一文详解3D打印礼服背后的技术

近日，在奥地利林茨举行的Ars Electronica艺术节上，一件吸引眼球的礼服亮相，这件礼服既包含了艺术特征，也囊括了尖端科技。该礼服展示了一个超低能量、高分辨率的脑-机接口，非常灵敏，如果穿着者考虑移动一根手指，它就可以识别出是哪根手指 -- 且不需要植入。

这条裙子是约翰尼斯开普勒大学（JKU）的研究人员、医学工程公司G.tec的开发人员和时尚技术设计师Anouk Wipprecht合作的结果。该款裙子被称为Pangolin dress，它有1024个头戴式电极，分为64组，每组16个。这些装置可以用来检测来自大脑的电子信号。来自这些传感器的数据被组合、分析，并转换成32个Neopixel LED和32个伺服驱动秤显示的颜色，从而创建了神经活动的全身可视化。

据悉，最大的技术进步是最新的定制芯片连接到每个电极。这种单通道芯片的边长为1.6毫米，集成了一个放大器、一个模数转换器（ADC）和一个数字信号处理器，它的功耗小于5微瓦。因为它耗电很少，所以芯片可以由附近的基站以非接触式射频识别（RFID）芯片的方式供电，并以无线方式返回数据（尽管对于Pangolin dress来说，有线数据连接被用来让创造者专注于开发和调试其他系统元素，而COVID-19限制了访问）。通过无线方式给芯片供电和与芯片进行通信，将不再需要将穿着者绑在有线系统中的测试系统上，甚至可以消除传统无线BCI系统中电池的体积和重量。JKU集成电路研究所教授Harald Pretl说，最大的挑战是“传感器电子设备的功率预算”：“我们必须设计出一种专用于此的放大器设计，一种专用于此的ADC，以及基于超宽带的我们自己的传输协议。”另一个挑战是如何处理“头部周围的褪色和阴影效应，”Pretl补充道。

研究人员表示：“我们尝试不使用昂贵的技术，正在使用的是180纳米（制造）技术，但我们能够通过使用一些先进的电路设计技巧来获得更高的性能。”JKU的Thomas Fasseth解释道，他是Pangolin dress项目的负责人。

对于Pangolin dress，每一组电极和芯片都安装在一块六边形的tile上，在这个例子中，佩戴者的头部是奥地利的Megi Gin的头部（下图），她成为测试参与者的程度与模特一样多，每一块都有一个定制的芯片和天线。

下一步的开发是由奥地利商业BCI开发商和制造商G.tec提供的。G.tec利用其分析神经信号的经验，整合和解释来自tile的数据。例如，当你决定主动移动一块肌肉时，它会在你的运动皮层产生一个可以被检测和识别的局部活动模式，“通过1024个独立通道，你可以获得单指分辨率。G.tec联合创始人Christoph Guger说：“这是表面电极无法做到的，需要植入物。Guger说，通常情况下，表面电极系统有64个通道，这仅足以区分运动是针对右臂还是针对左臂。”

由于大脑各不相同，识别这些细微的细节需要根据佩戴者的个体对系统进行校准，使用机器学习来识别与不同运动相关的模式。然而，这个系统实际上并不需要你能够移动任何给定的肌肉事实上，当参与者只是想象一个动作时，它更容易学习，因为想象一个动作通常比执行它需要更长的时间，产生更持久的信号。这意味着四肢瘫痪或缺失的患者可以利用这项技术，而Guger甚至推测可能存在BCI控制的外骨骼。

Pangolin dress决定了穿着者是否处于一系列心理状态之一，包括压力、中立和冥想，并通过运动和光来表达这一点。这件礼服是由设计师Wipprecht设计的，她之前曾为IEEE Spectrum写过她与G.tec合作设计独角兽耳机的故事（原文：https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/i-built-a-brain-computer-interface-for-tackling-adhd-in-children），旨在帮助治疗师为ADHD儿童调整程序。

Photo: Yanni de MeloThe full length dress—this photo was taken in Florida, so it does not include the full set of head-mounted sensors

礼服结合了刚性和织物元素，刚性元素采用选择性激光烧结技术在9个互锁部分进行3D打印。Wipprecht说，传感器的模块化特性激发了人们从灵活的pangolin有光泽的角蛋白鳞片中获取灵感的想法。对于Wiprecht来说，部分挑战在于大脑信号的变化速度远快于伺服机构改变角度的速度，因此她决定将重点放在反映变化频率上：即当低频脑电波占主导地位时，伺服装置和灯光的移动和脉搏缓慢。

据悉，Wiprecht如此表示：

“since we have a lot of data points through all the 1,024 channels in the dress, my interactions can become even more spot-on … A hectic state is reflected in quick jittery movements and white lights, a neutral state is reflected in neutral movements and blue lights, and a meditative state is where the dress will turn purple with smooth, flowing movements” （忙碌的状态反映在快速的紧张的动作和白色的灯光，中立的状态反映在中立的运动和蓝光，而冥想状态是指衣服随着流畅的动作而变成紫色）

Pangolin的合作始于去年年底，尽管Covid-19限制条件复杂，但其仍在继续。虽然JKU和G.tec的团队位于奥地利，但Wiprecht位于受灾严重的佛罗里达州。对于奥地利团队来说，这意味着他们的实验室受到严格的限制，但是他们能够在Wiprecht设计服装时向她发送四个传感器模块。这件完成的礼服上个月才抵达奥地利进行最后测试。

Pangolin小组希望能创造出另一种新的裙子，这次是在完全无线模式下使用传感器。关于传感器技术商业化的讨论仍在进行中，但Guger预计，在大约两年内，它可能成为其他研究人员现成的选择。

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