Bước đột phá của công nghệ thiết bị đeo

Công nghệ nhận dạng cảm xúc con người theo thời gian thực

Giáo sư Jiyun Kim và nhóm nhà khoa học tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST) - một trong bốn trường đại học công lập ở Hàn Quốc chuyên nghiên cứu về khoa học và công nghệ, cùng với KAIST, GIST và DGIST - phát triển một công nghệ tiên phong có khả năng xác định cảm xúc của con người trong thời gian thực. Sự đổi mới tiên tiến này được thiết lập giúp cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp khác nhau - bao gồm cả những hệ thống thiết bị đeo thế hệ tiếp theo cung cấp dịch vụ dựa trên cảm xúc. Hiểu và trích xuất chính xác thông tin cảm xúc từ lâu đã là một thách thức do tính chất trừu tượng và mơ hồ của con người như cảm xúc, tâm trạng và tình cảm. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu phát triển hệ thống nhận dạng cảm xúc con người đa phương thức - kết hợp dữ liệu biểu hiện bằng lời nói và phi ngôn ngữ cho phép sử dụng hiệu quả thông tin cảm xúc toàn diện.

Cốt lõi của hệ thống này là hệ thống giao diện khuôn mặt tích hợp da (PSiFI) được cá nhân hóa; có khả năng tự cấp nguồn, linh hoạt, co giãn và trong suốt. Nó có cảm biến rung và biến dạng điện ma sát hai chiều đầu tiên cho phép cảm nhận và tích hợp đồng thời dữ liệu biểu đạt bằng lời nói và phi ngôn ngữ. Hệ thống được tích hợp hoàn toàn với mạch xử lý dữ liệu để truyền dữ liệu không dây, cho phép nhận dạng cảm xúc theo thời gian thực. Bằng cách sử dụng thuật toán học máy, công nghệ thể hiện nhiệm vụ nhận dạng cảm xúc của con người một cách chính xác và theo thời gian thực, ngay cả khi cá nhân đeo mặt nạ. Hệ thống cũng được áp dụng thành công trong ứng dụng trợ giúp kỹ thuật số trong môi trường thực tế ảo (VR). Công nghệ dựa trên hiện tượng “tích ma sát”, trong đó các vật thể tách thành điện tích dương và điện tích âm khi ma sát. Điều đáng chú ý là hệ thống có khả năng tự tạo, không cần nguồn điện bên ngoài hay thiết bị đo phức tạp để nhận dạng dữ liệu.

Giáo sư Kim nhận xét: “Dựa trên những công nghệ này, chúng tôi đã phát triển hệ thống giao diện khuôn mặt tích hợp da (PSiFI) tùy chỉnh cho từng cá nhân”. Nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật bán bảo dưỡng chế tạo chất dẫn trong suốt cho các điện cực sạc ma sát. Ngoài ra, mặt nạ cá nhân hóa được tạo ra bằng kỹ thuật chụp đa góc, kết hợp tính linh hoạt, độ đàn hồi và độ trong suốt. Nhóm nghiên cứu tích hợp thành công tính năng phát hiện biến dạng cơ mặt và rung dây thanh âm, cho phép nhận dạng cảm xúc theo thời gian thực. Khả năng của hệ thống đã được thể hiện trong ứng dụng “nhân viên trợ giúp kỹ thuật số” thực tế ảo, nơi cung cấp những dịch vụ tùy chỉnh dựa trên cảm xúc của người dùng. Jin Pyo Lee, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết: “Với hệ thống được phát triển này, có thể thực hiện nhận dạng cảm xúc theo thời gian thực chỉ với một vài bước học tập và không cần thiết bị đo lường phức tạp. Điều này mở ra khả năng cho thiết bị nhận dạng cảm xúc di động và mọi dịch vụ nền tảng kỹ thuật số dựa trên cảm xúc thế hệ tiếp theo trong tương lai”. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành loạt thí nghiệm nhận dạng cảm xúc theo thời gian thực, thu thập dữ liệu đa phương thức như biến dạng cơ mặt và giọng nói. Hệ thống thể hiện độ chính xác nhận dạng cảm xúc cao mà không cần đào tạo nhiều. Bản chất không dây và có thể tùy chỉnh của nó đảm bảo khả năng đeo và sự tiện lợi. Hơn nữa, nhóm đã áp dụng hệ thống này vào môi trường VR, sử dụng nó như một “người hướng dẫn kỹ thuật số” cho nhiều môi trường khác nhau - bao gồm nhà thông minh, rạp chiếu phim tư nhân và văn phòng thông minh. Khả năng xác định cảm xúc cá nhân của hệ thống trong các tình huống khác nhau cho phép cung cấp các đề xuất được cá nhân hóa về âm nhạc, phim và sách.

 Thiết bị đeo được tăng cường tín hiệu từ vật liệu mới

Một vật liệu mới chuyển động giống như da trong khi vẫn duy trì cường độ tín hiệu trong thiết bị điện tử cho phép phát triển thiết bị đeo thế hệ tiếp theo với chức năng không dây liên tục, nhất quán và không dùng pin. Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature, một nhóm nhà nghiên cứu quốc tế từ Đại học Rice và Đại học Hanyang phát triển vật liệu này bằng cách nhúng các cụm hạt nano gốm có tính điện môi cao vào một loại polyme đàn hồi. Vật liệu được thiết kế ngược để không chỉ mô phỏng độ đàn hồi và mọi kiểu chuyển động của da mà còn điều chỉnh đặc tính điện môi của nó để chống lại tác động gián đoạn của chuyển động lên thiết bị điện tử giao tiếp, giảm thiểu tổn thất năng lượng và tản nhiệt.

Raudel Avila, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Rice và là tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: “Nhóm của chúng tôi có thể kết hợp mô phỏng và thí nghiệm để hiểu cách thiết kế một vật liệu có thể biến dạng liền mạch như da và thay đổi cách phân phối điện tích bên trong nó khi bị kéo căng để ổn định liên lạc tần số vô tuyến. Theo một cách nào đó, chúng tôi đang thiết kế một cách cẩn thận một phản ứng điện đối với một sự kiện cơ học”. Avila, người chịu trách nhiệm tiến hành mô phỏng giúp xác định lựa chọn vật liệu và thiết kế phù hợp, giải thích thiết bị điện tử sử dụng các thành phần tần số vô tuyến (RF) như ăng-ten để gửi và nhận sóng điện từ: “Nếu bạn đã từng ở một nơi có khả năng thu sóng di động kém hoặc tín hiệu Wi-Fi rất yếu, bạn có thể hiểu được sự khó chịu của tín hiệu yếu. Khi cố gắng truyền đạt thông tin, chúng tôi làm việc ở những tần số cụ thể: Hai antena giao tiếp với nhau ở một tần số nhất định. Vì vậy, chúng tôi cần đảm bảo rằng tần số đó không thay đổi để liên lạc vẫn ổn định. Thách thức để đạt được điều này trong các hệ thống được thiết kế di động và linh hoạt là bất kỳ thay đổi hoặc biến đổi nào về hình dạng của các thành phần RF đó đều gây ra sự thay đổi tần số, điều này có nghĩa là bạn sẽ gặp phải hiện tượng gián đoạn tín hiệu”.

Chuỗi hạt nano được nhúng trong chất nền có tác dụng chống lại những sự gián đoạn này, với yếu tố thiết kế quan trọng là kiểu phân bố có chủ ý của chúng. Cả khoảng cách giữa các hạt và hình dạng của cụm chúng đều đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định tính chất điện và tần số cộng hưởng của các thành phần RF. Sun Hong Kim, cựu cộng tác viên nghiên cứu từ Hanyang và hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Northwestern, chỉ ra rằng nhóm nghiên cứu áp dụng một cách tiếp cận sáng tạo để giải quyết vấn đề ổn định tín hiệu RF trong thiết bị điện tử có thể co giãn. Abdul Basir, cựu cộng tác viên nghiên cứu của Hanyang và hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Tampere ở Phần Lan, đánh giá: “Chúng tôi tin rằng công nghệ của chúng tôi có thể được áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như thiết bị y tế đeo được, robot mềm và ăng-ten mỏng và nhẹ hiệu suất cao”.

Công nghệ thiết bị đeo đang có tác động sâu sắc đến việc chăm sóc sức khỏe, cho phép mọi hình thức giám sát, chẩn đoán và chăm sóc cá nhân mới. Mọi dự đoán về thị trường trang phục thông minh phản ánh tiềm năng biến đổi của những công nghệ này, trong đó sức khỏe và thể lực chiếm thị phần lớn nhất xét về mục đích sử dụng cuối cùng. Basir nói thêm: “Các thiết bị điện tử có thể co giãn tích hợp trên da không dây đóng một vai trò quan trọng trong các trường hợp khẩn cấp về sức khỏe, chăm sóc sức khỏe điện tử và các công nghệ hỗ trợ”. Để kiểm tra xem vật liệu này có thể hỗ trợ sự phát triển của công nghệ thiết bị đeo hiệu quả hay không, nhóm nhà nghiên cứu đã chế tạo một số thiết bị không dây có thể co giãn, bao gồm ăng-ten, cuộn dây và đường truyền, đồng thời đánh giá hiệu suất của chúng cả trên chất nền mà họ đã phát triển và trên chất đàn hồi tiêu chuẩn không có thêm các hạt nano gốm. Avila báo cáo: “Khi chúng tôi đặt thiết bị điện tử lên đế rồi kéo căng hoặc uốn cong nó, chúng tôi thấy rằng tần số cộng hưởng của hệ thống vẫn ổn định. Chúng tôi đã chứng minh rằng hệ thống của chúng tôi hỗ trợ giao tiếp không dây ổn định ở khoảng cách lên tới 30 mét ngay cả khi bị căng thẳng. Với chất nền tiêu chuẩn, hệ thống hoàn toàn mất kết nối”. Khoảng cách làm việc không dây của hệ thống liên lạc trường xa vượt xa bất kỳ hệ thống giao tiếp qua da tương tự nào khác. Hơn nữa, vật liệu mới có thể được sử dụng nhằm nâng cao hiệu suất kết nối không dây trong nhiều nền tảng thiết bị đeo được thiết kế phù hợp với nhiều bộ phận cơ thể khác nhau với nhiều kích cỡ khác nhau. Ví dụ, nhóm nhà nghiên cứu đã phát triển các dải sinh học có thể đeo được để đeo trên đầu, đầu gối, cánh tay hoặc cổ tay để theo dõi dữ liệu sức khỏe trên cơ thể, bao gồm hoạt động điện não đồ (EEG) và điện cơ đồ (EMG), chuyển động của đầu gối và nhiệt độ cơ thể. Chiếc băng đô được chứng minh là có thể giãn tới 30% khi đội trên đầu trẻ mới biết đi và lên đến 50% trên đầu người lớn, đã truyền thành công các phép đo EEG theo thời gian thực ở khoảng cách không dây 30 mét.

Avila kết luận: “Khi thiết bị đeo tiếp tục phát triển và ảnh hưởng đến cách xã hội tương tác với công nghệ, đặc biệt là trong bối cảnh công nghệ y tế, việc thiết kế và phát triển thiết bị điện tử có thể co giãn hiệu quả cao trở nên quan trọng đối với kết nối không dây ổn định”.