最近，美國賓夕法尼亞州立大學團隊研發(fā)了一款無線智能藍牙戒指 OmniRing。該設備是首款針對手指運動追蹤和智能健康監(jiān)測的智能戒指，這也是首個從視頻中獲取合成訓練數(shù)據(jù)，以解決搜索空間為連續(xù)手指運動的問題的項目。

該設備基于集成電路設計、3D 打印材料和機器學習，目前已被開源。其特點為輕便（總重 2.5 克）、低功耗、低成本。其中，傳感器及單片機處理器等材料成本不超過 175 元。

圖丨無線智能藍牙戒指 OmniRing（來源：陸泰廷）

這款智能戒指的功能包含了三維的自由手指動作追蹤，該團隊希望 OmniRing 可以融合元宇宙中的場景，例如用戴戒指的手在空中做手勢，以此來完成對鍵盤、鼠標、顯示器等虛擬外設的交互和使用。與此同時，該智能戒指還可實現(xiàn)對人體機能的監(jiān)測，能夠監(jiān)測到心率、脈搏和血氧等相關的身體健康指標。

論文審稿人認為，該研究無論在現(xiàn)在還是未來都有廣闊的前景，并且極具開源性。該研究得到了學術界的關注以及商業(yè)公司的合作邀請，包括可穿戴設備的研究人員、使用手語者、醫(yī)生等。

“這些合作邀請激勵著我們更加努力地將科研成果帶出實驗室，研究出改變人類生活和生產(chǎn)的產(chǎn)品。”該論文共同第一作者、賓夕法尼亞州立大學博士研究生陸泰廷表示。

近日，相關論文以《一個戒指來監(jiān)測所有：用于手指運動分析和醫(yī)療保健應用的開源智能平臺》（One Ring to Rule Them All: An Open Source Smartring Platform for Finger Motion Analytics and Healthcare Applications）為題發(fā)表于 ACM/IEEE Conference on Internet of Things Design and Implementation，并獲得物聯(lián)網(wǎng)邊緣智能領域的最佳論文獎之一[1]。

該論文共同第一作者為賓夕法尼亞州立大學周浩、陸泰廷，通訊作者為該校馬漢斯·戈爾達（Mahanth Gowda）教授。

圖丨相關論文（來源：ACM/IEEE Conference on Internet of Things Design and Implementation）

一直以來，戈爾達實驗室專注于研究應用機器學習到可穿戴設備。此前，他們曾研發(fā)手指運動追蹤的設備 ssLOTR [2]，其外形類似于 Tapstrap 的穿戴式設備。研究人員把傳感器放置在每個手指，以追蹤手指的運動。

用戶在佩戴傳感器時，可能會進行日常生活的活動，例如在筆記本電腦上工作（打字、瀏覽等）、吃飯、喝酒、看電影等。曾有用戶反饋設備較重，長時間佩戴不舒適，而且由于帶子的原因，手指的活動或多或少會受到限制。

基于此，該課題組開始了 OmniRing 的研究工作。在開始項目前，他們遇到三個難題：第一，在以往研究中，沒有將所有的電子部件嵌入到一個戒指中的案例；第二，市面上的智能戒指并不提供源數(shù)據(jù)和電路設計；第三，缺少可穿戴設備的大量公共訓練數(shù)據(jù)。

為解決上述問題，該團隊通過利用柔性印刷電路板、3D 打印和低成本制造方面的創(chuàng)新，設計了一個感應嵌入式衛(wèi)星，以實現(xiàn)具有長電池壽命和小尺寸的連續(xù)感應，用于運動分析和醫(yī)療保健的各種應用。

“我們展示了利用 OmniRing 從公共視頻中提取訓練數(shù)據(jù)進行三維手指運動跟蹤的可行性，并開發(fā)了一個基于變壓器的架構。該架構可以識別手指間的關聯(lián)機會，以跟蹤所有手指，而無需在所有手指上放置傳感器環(huán)。”陸泰廷說。

與此同時，研究人員還進行系統(tǒng)性用戶研究，以驗證 OmniRing 在日常生活中的舒適度和接受度，以及驗證三維手指運動跟蹤的性能，包括對用戶多樣性的魯棒性、傳感器位置的變化以及在自由生活條件下的能力等。

并且，研究團隊還為社區(qū)開放 OmniRing 的源代碼，以擴展其在硬件和應用方面的新功能。

（來源：陸泰廷）

在該論文中，作者們展示了在當前 OmniRing 設計中納入慣性傳感器和光電容積描記（Photoplethysmography，PPG）傳感器的可行性。慣性傳感器可用于活動識別的若干應用，而紅外無損檢測傳感器則可用于健康分析應用，包括心率、睡眠和情緒監(jiān)測。

陸泰廷表示：“我們只觸及了表面，額外的傳感器，如心電圖和 EDA，可以被納入心臟疾病檢測和壓力水平的應用中。”

此外，整合觸摸和觸覺傳感器可以在游戲等應用中向用戶提供反饋。雖然在一個戒指中包含所有傳感器的空間可能有限，但如果用戶愿意在多個手指上佩戴戒指，不同的傳感方式可以被整合到不同的戒指中。

目前，該團隊正在探索這一系列的問題，他們希望社區(qū)能夠擴展該平臺，以實現(xiàn)新可能性。目前，通過 OmniRing 中的慣性傳感器將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到一個智能手機應用程序進行分析。然而，鑒于 CPU（ARM 的Cortex-M4）可以支持信號處理和機器學習，研究人員將考慮設備上計算/預處理和卸載傳感器數(shù)據(jù)之間的矛盾，作為團隊未來工作的一部分。

“雖然在論文中我們專注于運動分析和醫(yī)療應用，但該平臺可擴展到生物識別認證的應用。例如，心跳模式被認為是一個人的指紋，OmniRing 中的 PPG 傳感器的心率可被用來作為個人生物特征的識別特征。”他說。

圖丨陸泰廷（來源：陸泰廷）

該設備應用場景多樣，未來可以將激勵器進一步整合到 OmniRing 中，為用戶提供觸摸和觸覺反饋。

而隨著個性化日常生活監(jiān)測的流行，智能設備正在幫助人們適應積極和健康的生活方式。陸泰廷表示：“我們相信 OmniRing 的外形設計可以讓人們舒適地長期佩戴，它可以幫助監(jiān)測日常的生活活動，包括跑步、吃飯、喝水、刷牙、睡眠周期等。”

通過用 OmniRing 感知手部運動模式，有望開發(fā)一款警報系統(tǒng)來識別危險或疏忽的駕駛，從而提高安全性。同樣，它也可以警告司機不要在駕駛時與手機互動。

該設備可能為教員提供根據(jù)學生的情緒狀態(tài)調整教學內容的能力，可以使學習更有吸引力和樂趣。OmniRing 有可能通過監(jiān)測 PPG 傳感器記錄的心臟跳動間隔，來解釋學生的情緒狀態(tài)。此外，該設備還可不斷評估自閉癥患者和抑郁癥患者的精神狀態(tài)，這可以為醫(yī)療保健提供者提供重要的反饋。

另一方面，OmniRing 還可以通過幫助有特殊需要的人進行互動或控制設備來實現(xiàn)無障礙應用。在手語識別方面，該團隊介紹，OmniRing 可以實現(xiàn)手指運動跟蹤，以幫助識別手語并將其翻譯成口語，從而縮小聾人和聽人之間的溝通差距。

該智能戒指可用于日常生活中監(jiān)測心臟病、高血壓等疾病的患者的心率、血壓和情緒狀態(tài)。這不僅有助于通過向醫(yī)生提供精細的反饋來更好地監(jiān)測疾病，而且有可能通過減少去醫(yī)院的次數(shù)，進而降低相關醫(yī)療費用。

（來源：陸泰廷）

陸泰廷在加州大學歐文分校完成了計算機科學和電子工程的雙學士學位。他目前正在賓夕法尼亞州立大學電子工程和計算機科學系攻讀博士學位，與導師戈爾達教授合作，正在開發(fā)融合多傳感器和智能算法的新型傳感系統(tǒng)。

周浩目前正在賓夕法尼亞州立大學攻讀博士學位。作為研究助理，周浩與導師戈爾達教授和團隊在手部追蹤、手語翻譯、家居健康監(jiān)測等。他表示：“我專注于在計算機視覺大方光彩的諸多領域上研究成本低、魯棒性強、穩(wěn)定性高的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，讓人人有權享受科技賦能的美好生活。”

“當然，我們的使用設備得出的數(shù)據(jù)和結論都是面向全社會，同樣包括學術界、現(xiàn)實應用領域、盈利組織都可以使用我們得出的數(shù)據(jù)和結論，我們希望未來更多的合作參與到可穿戴設備的研究和使用。”陸泰廷最后說道。

參考資料：

1.Hao Zhou，Taiting Lu ACM/IEEE Conference on Internet of Things Design and Implementation，May 2023 Pages 27–38 https://doi.org/10.1145/3576842.3582382

2.Hao Zhou，Taiting Lu the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies，6， 2: 90，1–31. https://doi.org/10.1145/3534587https://doi.org/10.1145/3534587