Инженеры разработали «умную» обувь, которая отслеживает изменения в походке людей с точностью 95,4%

Инженеры Ратгерского университета в Нью-Брансуике разработали прототип «умной» обуви, которая автоматически анализирует походку человека. В перспективе такую систему планируют использовать для длительного наблюдения за изменениями походки у людей с двигательными нарушениями, болезнью Паркинсона, травмами спинного мозга и черепно-мозговыми травмами. Исследованием руководил Симиао Ню, доцент кафедры биомедицинской инженерии. Результаты научной работы опубликованы в журнале Science Advances.

Прототип анализирует движения с точностью 95,4%, подсчитывает шаги и оценивает количество сожженных калорий. Ключевая особенность разработки — отсутствие аккумулятора. Устройство, встроенное в подошву, вырабатывает электроэнергию за счет давления и трения при каждом шаге, используя трибоэлектрический эффект, схожий со статическим электричеством при трении материалов. Поскольку вырабатываемый заряд поступает неравномерными импульсами, исследователи создали схему управления питанием, повышающую объем полезной энергии до 120 раз по сравнению с традиционным методом.

«Когда вы идете или бежите, у вас автоматически вырабатывается биомеханическая энергия, которую можно собирать, — пояснил Симиао Ню. — Когда вы садитесь, энергия недоступна, но и мониторинг походки не нужен».

Встроенный акселерометр измеряет движение стопы по трем осям, а компактный процессор с элементами искусственного интеллекта классифицирует 15-секундные интервалы как медленную ходьбу, быструю ходьбу, бег или подъем по лестнице. Анализ выполняется непосредственно в носимом устройстве — подход, известный как «edge AI», — без постоянной передачи сырых данных на смартфон или в облако. Первоначальная модель на основе 21 характеристики движения достигала точности 98,1%, но требовала больше памяти, чем мог обеспечить процессор обуви. Уменьшенная версия, использующая вариацию движения по трем осям, показала точность 95,4%, работая примерно в 15 раз быстрее и потребляя около одной шестой тока. Сенсор и алгоритм вместе потребляют 86 микроватт.

Симиао Ню связывает разработку с проблемой, которую он называет «энергетически-интеллектуальным узким местом»: чем «умнее» становятся носимые устройства, тем быстрее они разряжают батареи. «Мы хотим решить фундаментальное узкое место в современных носимых устройствах, — сказал он. — Мы разрабатываем умное носимое устройство со встроенным ИИ, которое может самостоятельно собирать энергию, чтобы вам не нужно было беспокоиться о зарядке».

Текущая версия представляет собой ранний прототип в виде белых спортивных кроссовок с электроникой в пятке. Устройство не является медицинским прибором и пока не способно диагностировать заболевания, предсказывать падения или оценивать эффективность лечения. Алгоритм обучен и протестирован только на данных четырех здоровых добровольцев в возрасте от 23 до 26 лет и не проверялся на пожилых людях или пациентах с двигательными расстройствами. При дальнейшей доработке и клинических испытаниях подобная обувь может использоваться для оценки риска падений, выявления аномальных паттернов ходьбы или отслеживания восстановления после травм мозга и спинного мозга.

Источник: rutgers.edu