الابتكارات في مجال الاستشعارات القابلة للزراعة لتحسين جمع بيانات التقطير

مقدمة: ارتفاع مستوى القدرة على الحركة المرهقة

وقد حولت أجهزة الاستشعار القابلة للزراعة المشهد العام لتحليل الحركة البشرية، وتحولت حركة الحركة من نظم بصرية باهظة التكلفة ومربوطة بالمختبرات إلى حلول مرنة وعالمية حقيقية، ومن خلال دمج أجهزة التكتل، والقنوات، والمغنطيسيات، وأجهزة الاستشعار الفيزيائية، على نحو متزايد، إلى أجهزة مفاعلة، وباحثين، ومستوصفين، ومدربين، ورياضات يمكن أن تلتقطة الآن

وتستكشف هذه المادة أهم ابتكارات في تكنولوجيا الاستشعار القابلة للارتداء من أجل الحصول على الحركة - من النظم المصغرة الميكانيكية المجهرية إلى الكترونيات القابلة للتمدد ودمج أجهزة الاستشعار المتعددة الوسائط - وتبحث كيف تؤدي هذه الانجازات إلى تحسين دقة البيانات وإمكانية استخدامها وصلاحيتها السريرية، كما نناقش التحديات الحالية والاتجاهات المستقبلية الواعدة التي ستؤدي إلى زيادة دقة تحليل الحركة وإمكانية الوصول إليها وإدماجها في كل يوم.

الابتكارات التكنولوجية الرئيسية

التنويم الطفولي والمقاييس: أصغر، لايت، أكثر دقة

ولا يزال جوهر أجهزة الاستشعار الحديثة للحركة قابلا للارتداء هو النظام الميكانيكي المغناطيسي المجهري، وقد أدت التطورات في تركيبات شبه الموصلات إلى تقلص وحدات القياس غير الصوتي إلى حجم الأظافر، مع زيادة الحساسية والحد من استهلاك الطاقة في الوقت نفسه، حيث أن مقاييس قياس قياسات قياس قياسات قياسات قياسات قياسات قياسات قياسية قياسية في الوقت الحاضر إلى أقل من 0.1 ملغم من المقاييس، وأجهزة الكشف عن الأشعة السينية.

وقد قامت شركات مثل Xsens (Movella) ] وShabana ]] بتسويق كامل جسم IMU يناسب النظم البصرية المتنافسة بدقة مشتركة، كما أن انخفاض الحجم والوزن يزيلان أيضا " أثر المراقبة " حيث تعكس المواد حركة طبيعية بسبب المعدات السائلة.

الإلكترونيات القابلة للتحمل والمرونة: Comfort Meets Durability

وتخلق مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور التقليدية نقاط ضغط وتحد من الحركة، لا سيما أثناء المهام ذات الأثر المرتفع أو التكرارية، وقد تؤدي عمليات الانجاز الأخيرة في مقاطع فرعية مرنة مثل أفلام البوليميد، وبوليميرات السائل، وحتى أجهزة الاستشعار ذات النسيج - المتوهجة إلى التآكل والتمديد مع الجسم.

وتنتج أجهزة الاستشعار ذات القدرة الاستيعابية المرنة مثل StretchSense أجهزة استشعار سريعة الصنع، التي تقيس مباشرة التوسع العضلي والتغييرات المشتركة في الزوايا دون وجود ضيوف صلبة، وتستخدم هذه أجهزة الاستشعار حاليا في الأحذية الرياضية الذكية، وفرق إعادة التأهيل، والسوارات الاصطناعية، ويُعد مزيج من المرونة والحركة يعني أن رياضيين يمكنهم التدريب على ساعات

التعلم في مجال إعادة تصميم البيانات والحد من عدد الإصابات

وتتضمن بيانات الاستشعار عن طريق الفم من وحدات الرصد الدولي القابلة للارتداء الضجيج والانجراف والتدخل المغناطيسي، وتساعد أجهزة التصفية التقليدية في كالمان، ولكن نُهج التعلم الآلي قد حسنت بشكل كبير نسب الإشارة إلى الضوضاء ودقة التوجه، كما أن نماذج التعلم العميق - لا سيما الشبكات العصبية المولدة للثورة والشبكات المتكررة للإدارة الانتقالية - يمكن أن تتعلم أنماط الضوضاء الخاصة التي تتسم بها أجهزة الاستشعار وتخصص في الوقت الحقيقي.

وقد أظهرت دراسة تاريخية منشورة في Nature Scientific Reports] أن شبكة CNN التي تم تدريبها على بيانات متعددة الأطراف من وحدات النقد الدولي قللت من الخطأ الجسيم بنسبة 40 في المائة مقارنة بالطابع القياسي، حتى أثناء التحركات الدينامية السريعة مثل الطباع والقفز، وبغض النظر عن ذلك، يمكن أن تصنف نماذج حركة التنقل (العمل، والارتقاء الفوري، والرمي) من مسارات الاستشعارية.

التواصل اللاسلكي والإدماج في الفضاء

وتتوفر تكنولوجيات الطاقة المنخفضة والشبكة اللاسلكية والشبكة اللاسلكية والشبكة الواسعة النطاق، أجهزة استشعار غير قابلة للزراعة من سجلات البيانات، مما يتيح تدفقاً سلساً إلى الهواتف الذكية أو اللوحات أو منابر السحب. ويتيح هذا الجدول ٥-٠ يتراوح بين ٢٠٠ متر في البيئات المفتوحة وقلة التردد )٨-١٢ متراً( للارتقاء البصري في المستقبل الحقيقي.

وعلاوة على ذلك، فإن الاندماج مع شبكة الإنترنت في الأشياء يعني بيانات من مئات أجهزة الاستشعار التي يرتدى بها الرياضيون المتعددون أو المرضى - يمكن تجميعها، وتركيزها الزمني، وتحلل عن بعد، بينما تشير البرامج القائمة على السحاب مثل كورتكس من MC10 أو d 'Move from movella إلى لوحات لإزالة الأعباء السريرية لرصد التغيرات في حجم المرضى خلال الأسابيع.

الاستشعار المتعدد الوسائط: الجمع بين الحركة والفيزياء

أما الحدود التالية في عملية الضبط بالحركة السائلة فهي دمج البيانات الكينماتية مع إشارات فيزيولوجية، ومن خلال إدماج الصبغي الكهربائي، والكهرباء، ودرجة حرارة الجلد، وحتى قرب المطياف المزود بالأشعة تحت الحمراء في ممر واحد، فإن الباحثين يكتسبون صورة شاملة عن اللاعبين أو المرضى، مثلا، يمكن أن يميز الجمع بين بيانات وحدة التحليل المشتركة بين أجهزة الإيميغا.

وتتيح منتجات مثل نظام Delsys Trigno] تسجيلا متزامنا لشبكة EMG، والتعجيل، وبيانات الجاذبية من جهاز استشعار لاسلكي واحد، وفي علوم الرياضة، تتيح أجهزة الاستشعار المتعددة الوسائط للباحثين ربط ميكانيكيي الحركة بأنماط التفعيل العضلي، وتحديد أوجه القصور أو الحالات التي تنطوي على إصابات في العيادات.

تطبيقات الصناعات والقطاعات عبر

الأداء الرياضي والميكانيكية الحيوية

وقد احتضنت منظمات رياضية إليت أجهزة استشعار غير مرئية قابلة للارتداء من أجل الوقاية من كل من التدريب والإصابات، ففي كرة القدم مثلاً، تلبس الأطراف السترات غير المدمجة التي تستخدم التماثل في الطبع، وتسريع البصمات، والحمولات التناوبية، يتلقى المدربون لوحات مصغرة في الوقت الحقيقي تبين ممارسة اللاعبين وخطر الإجهاد الناجم عن عمل السخرية.

والتسويق مجال آخر يمكن فيه لأجهزة قياس مقاومات المياه أن تتبع ميكانيكيات السكتات ولفائف الجسم دون قيود الكاميرات البصرية، وتستخدم براندات مثل نظارات فورم أجهزة تسارع مدمجة لتوفير التكتل في الوقت الحقيقي وقطع كل ضربة، وتضفي هذه الابتكارات طابعا ديمقراطيا على التحليل الميكانيكي الحيوي الرفيع المستوى الذي كان متاحا في السابق فقط للبرامج الأولمبية، وذلك من أجل التواؤم.

التأهيل السريري والعلاج البدني

وفي مجال إعادة التأهيل، توفر أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء تدابير موضوعية وقابلة للقياس الكمي للتقدم في المرضى، وتعتمد التقييمات السريرية التقليدية على المراقبة الذاتية أو توقيت المراقبة، ويمكن أن تحدد وحدات القياس القابلة للزراعة كمية مجموعة مشتركة من الحركة، والتماثل في المراهنات، وطول الخط، والتفاوت في مستوى الخيوط، مما يسمح للمعالجين بوضع بروتوكولات فردية وموجَّهة نحو البيانات، وكشف التدهور في وقت مبكر.

فعلى سبيل المثال، يمكن للمرضى الذين يتعافون من رعاة الركبة أن يرتدوا جهازاً واحداً من أجهزة الاستشعار ذات الفخذ الواحد يتتبع زوايا الركبة التي تلت الركب طوال اليوم، وعندما يقترن ذلك بجهاز هاتف ذكي، يدفع النظام المستخدم إلى القيام بعمليات محددة الهدف ويحذر الطبيب إذا كان الالتزام أو التقدم قد انحرف، كما أبرز استعراض منتظم في ] أجهزة الاستشعار ، بنسبة 25 في المائة، تحسيناًاًاً.

وفي الظروف العصبية مثل مرض باركينسون، توفر أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء الرصد المستمر للارتزاز والبرودكينزيا وتجميد الغات، وتساعد هذه البيانات علماء الأعصاب على تعديل الجرعات الطبية عن بعد وقياس كفاءة العلاج على مدى فترات أطول مما يمكن في زيارة عيادة.

الواقع الافتراضي والمزروع

وقد أدى الطلب على واقع افتراضي غير مكتمل وزيادة التجارب الواقعية إلى تسارع وتيرة التعقب في حركة التعقب، وفي حين أن الكاميرات المجهزة بموجات عالية يمكن أن تتعقب مواقع الرأس واليد، فإن عملية التقاط الحركة الكاملة تتطلب أجهزة استشعار موزعة.

وبالمثل، فإن نظم التدريب المهني - مثل المحاكاة الجراحية أو أجهزة الاستشعار التي تعمل بالطائرات - التي تعمل بالأشعة دون الحمراء - تتعقب تحركات اليد بدقة، وقدرة على تسجيل وإعادة تشغيل هذه الحركات ذات القيمة العالية تيسر نقل المهارات وتقييمها، فمع تقلص عدد الرؤوس التي تستخدمها أجهزة الاستنشاق بالجرعات، وازدياد الطلب على أجهزة الاستشعار التي تعمل بالوزن الخفيف واللاص.

الصحة المهنية والإرغونوميات

ويتزايد نشر عمليات الضبط بالحركة المرهقة في الأوساط الصناعية والجماعية للحد من الإصابات في أماكن العمل، ويمكن أن يوفر النظام إنذاراً هائماً أو سجلاً للحدث في وقت لاحق عندما يكتشف عامل خطر (مثلاً، الإفراط في الإضاءة أثناء رفعها).

وقد أظهرت البحوث التي أجراها المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنيتين أن التغذية المرتدة التي يقوم بها الاتحاد الدولي للاتصالات أثناء المناولة اليدوية تؤدي إلى خفض التحميل العمودي بنسبة تصل إلى 12 في المائة، ويجري الآن إدماج هذه التكنولوجيات في برامج السلامة للتصنيع واللوجستيات والبناء، مع إجراء تخفيضات قابلة للقياس في مطالبات التعويض المقدمة من العمال.

التصدي للتحديات الرئيسية في مجال القدرات على التحركات القابلة للزراعة

جهاز الاستشعار

ورغم التقدم المحرز، فإن جميع أجهزة الاستشعار غير الشرعية تعاني من تراكم تدريجي للخطأ في تقديرات التوجه، ويمكن أن يتسبب الانجراف في التحيز على نطاق واسع، ولا سيما في ظل تغيرات في درجة الحرارة أو بعد أحداث الأثر، في أخطاء غير عادية بعد بضع دقائق من النشاط، كما أن وحدات الإزالة التكتيكية العالية الجودة باهظة التكلفة ومكثفة، مما يجعلها غير ملائمة للعديد من القابلات للارتداء.

وتبرز الحلول: إذ أن ضخ أجهزة الاستشعار بمغنطيسيات توفر مرجعاً عناوينها، ولكن الاضطرابات المغناطيسية الناجمة عن الأجسام الخصبة أو البيانات المعقدة، كما أن التعلم الماكين " تحديث السرعة الزهيدة " (الرقم القياسي للتنقلات الآلية) يعيد تقدير السرعة عندما يكون جهاز الاستشعار ثابتاً ومشتركاً أثناء مراحل الارتداد في المربع، ويستخدم العمل الحديث في التعلم العميق للتنبؤ بالتاريخ الحقيقي.

إدارة الطاقة وحياة البطارية

كما أن استمرار تدفق بيانات عالية الجودة من الاتحاد الدولي للاتصالات السلكية واللاسلكية )١٠٠-٤٠٠ هرتز(، والبث اللاسلكي، وبطاريات تجهيزات الصرف على متن السفن بسرعة، إذ لا يدوم عدد كبير من أجهزة الاستشعار سوى ٤-٨ ساعات، مما يحد من الرصد المستمر لدراسات النوم الليلية أو لتتبع إعادة التأهيل في جميع الأيام، كما أن الابتكارات في معدات منخفضة القدرة مثل هيكل ARM Cortex-M+، والتطورات في نقل الطاقة.

إن جمع الطاقة من الحركة الجسمية (الكهرباء، الثلاثي) هو مجال بحث نشط، ويمكن أن يولد النموذج الأولي للوقود المولد للطاقة طاقة كافية من المشي لتشغيل جهاز استشعار صغير تابع للاتحاد الدولي للاتصالات، ومع أنه غير مستعد بعد لنشره تجاريا على نطاق واسع، فإن هذه النهج تعد عملية شبه دائمة لتطبيقات منخفضة الدراجة.

ألف - دمج البيانات والتواؤم

(ب) عندما تكون أجهزة الاستشعار المتعددة مرتدية في أجزاء مختلفة من الجسم، فإن تزامن ساعاتها أمر حاسم لإعادة بناء الزوايا المشتركة والتنبؤ بمواقع القطاعات، ويمكن للنظم اللاسلكية القائمة على الكيكات أن تستحدث مجرىاً من 1 إلى 10 مترات، لا يمكن في حد ذاته أن يكون ملحوظاً في تحليل المرارة، بل يمكن أن تسبب في حركات عالية التردد مثل اللكمة التي يربطها الملاكم.

المستعملون

وحتى أجهزة الاستشعار الأكثر دقة لا جدوى منها إذا رفض المستخدمون ارتدائها، فقد أدت اعتبارات مريحة إلى التحول من وحدات صلبة إلى منسوجات مرنة وقابلة للتنفس، كما أن شركات مثل Myant ) تُدرج أجهزة الاستشعار المتحركة مباشرة إلى الكنز، وتزيل السلاسل المستقلة.

الاتجاهات المستقبلية: أين نحن متجهون؟

عملية تجهيز المطالبات المتعلقة بالشيخوخة

فبدلاً من أن تبث البيانات الخام إلى هاتف ذكي أو سحاب، فإن أجهزة الاستشعار التي ترتدى الجيل القادم ستؤدي مباشرة إلى الجهاز، ويمكن أن تُجري رقائق العجلات (مثلاً، غوغل تينسور، المصابون بالمرض) شبكات خفيفة الوزن لتصنيف النشاط، والكشف عن الشذوذ، بل وتقدير الزاوية المشترك دون معالجة خارجية، وهذا يقلل من احتياجات الترددات، وحدث استهلاك الطاقة، وشواغلات الخصوصية.

Energy Harvesting and Self-Powered Sensors

وكما ورد في السابق، فإن جمع الطاقة من الحركة أو حرارة الجسم أو الترددات المتوسطة المدى هو محور رئيسي للبحث في مجال صنع أجهزة استشعار مستقلة حقاً، ويمكن للمناورات الثلاثية الأبعاد أن تحول الاحتكاك الميكانيكي من حركة مشتركة إلى طاقة كهربائية، وتظهر تقارير المختبرات الأخيرة أن جهازاً متعدد الأطراف يعمل باستمرار لمدة ثلاث ساعات في دورة واحدة من دورات المحصولين تبلغ 15 دقيقة، بينما لا يزال بعيداً عن الموثوقية التجارية، فإن التقارب بين أجهزة القياس الإلكترونية ذات الكفاءة في نهاية المطاف.

التكامل مع التوائم الرقمية والنماذج الميكانيكية الحيوية

والهدف النهائي من عملية التقاط الحركة هو إيجاد " توأم رقمي " للهيئة البشرية التي يمكن أن تحفيز الحركة والتنبؤ بالإجهاد وحفز مخاطر الإصابة في ظروف مختلفة، وتغذي البيانات المستشعرة القابلة للزراعة في منابر محاكاة مضللة مثل نماذج النسيج أو أي نوع من أنواع الحيوانات، وذلك عن طريق الجمع بين بيانات واقعية عن الحساسات والنماذج الإحصائية الدوائية الشخصية.

خاتمة

وتسير الابتكارات في أجهزة الاستشعار التي يمكن ارتداؤها للحصول على الحركة بوتيرة ملحوظة، تدفعها وزارة الطاقة إلى الحد الأدنى، والإلكترونيات المرنة، والتعلم الآلى، ودمج أجهزة الاستشعار المتعددة الوسائط، وقد أعادت هذه التطورات بالفعل تشكيل الميكانيكيات الحيوية الرياضية، وإعادة التأهيل السريري، والواقع الافتراضي، والتفاعل المهني - بيانات الحركة العالية الجودة المتاحة خارج مختبر البحوث، وفي حين أن التحديات مثل الالتقاء بالكهرباء والآلات الرقمية الطموحة لا تزال قائمة.