La superposition de matériaux extensibles et rigides et l'intégration de l'apprentissage automatique améliorent la précision des objets connectés
Des chercheurs de l'Université nationale de Yokohama ont développé un appareil portable de mesure extensible et de haute précision qui combine des matériaux polymères souples et des éléments électroniques rigides. Cet appareil peut mesurer avec précision les données inertielles même s'il s'étend jusqu'à 2,5 fois sa longueur.
La combinaison de ce dispositif extensible de haute précision et de l'apprentissage automatique a permis de réaliser plusieurs types de reconnaissance de mouvements avec un taux de précision élevé. Les applications potentielles de cette technologie ont conduit à la réalisation de systèmes intégrant divers composants électroniques souples et rigides aux technologies de l'information.
Les appareils portables extensibles capables de détecter rapidement et avec précision des informations physiques et bioélectriques sont de plus en plus utilisés pour des tâches telles que la surveillance de la santé et la mesure des mouvements. Cependant, il est difficile de fabriquer un appareil suffisamment extensible pour être confortable et suffisamment rigide pour détecter des données avec précision.
L’apprentissage automatique peut contribuer à rendre ces appareils plus puissants, mais pour intégrer la technologie, des wearables hybrides extensibles combinant confort et traitement stable des données devront être développés.
Un article publié dans Appareil le 7 août, il décrit comment des circuits intégrés rigides superposés sur un substrat flexible peuvent être utilisés pour améliorer les performances des appareils portables.
« Des dispositifs extensibles combinant des circuits intégrés de capteurs hautes performances basés sur l'électronique à semi-conducteurs ont été développés, mais ils ne sont pas suffisamment extensibles pour supporter de grandes déformations de plus de deux fois l'allongement. Ces facteurs ont limité le développement de systèmes intégrés pour les dispositifs extensibles et l'apprentissage automatique », a déclaré Hiroki Ota, professeur associé à la Faculté d'ingénierie de l'Université nationale de Yokohama.
En fait, explique Ota, il n’existe actuellement sur le marché aucun appareil capable de mesurer avec une grande précision et une grande répétabilité parmi les appareils extensibles (ou les appareils ayant une grande déformabilité).
Dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur le développement de dispositifs portables de capture de mouvement avec apprentissage automatique intégré. Les appareils étaient très déformables, ce qui signifie qu'ils étaient flexibles et pouvaient épouser les contours du corps.
Des structures dites de protection à rigidité hétérogène ont été développées pour apporter une stabilité supplémentaire aux vêtements flexibles. Ces structures protégeaient le câblage électrique et comportaient trois couches : une couche dure, une couche intermédiaire et une couche souple.
La couche souple a permis de garantir l'élasticité de l'appareil et les couches plus dures ont préservé l'intégrité des capteurs de l'appareil. Une pâte métallique liquide a également été utilisée dans tout l'appareil, y compris pour développer le câblage, afin de garantir la flexibilité de l'appareil.
« La fusion de matériaux extensibles et d'éléments rigides basés sur l'électronique à semi-conducteurs permet de réaliser de nouveaux dispositifs qui combinent l'élasticité avec des capacités de calcul et de mesure élevées. Ces dispositifs favorisent l'intégration avec les systèmes d'apprentissage automatique, où la reproductibilité des données est essentielle », a déclaré Ota.
Pour tester la puissance de l'appareil portable, les chercheurs ont effectué trois tâches : l'estimation de la forme des nœuds, la reconnaissance de l'écriture dans l'air et la reconnaissance de la langue des signes. Les chercheurs ont également testé l'efficacité de l'appareil lorsqu'il était étiré.
Comparé aux précédentes itérations d'appareils portables qui ne disposent que d'un circuit imprimé, le nouvel appareil développé avec la structure protectrice à rigidité hétérogène a mieux géré l'allongement et l'étirement. L'appareil avec seulement le circuit imprimé et la couche souple a montré une déformation à 30 % d'allongement et s'est cassé à 100 % d'allongement.
En comparaison, à 100 % d'allongement, le dispositif doté d'une structure protectrice à rigidité hétérogène n'a montré aucun signe de contrainte dommageable et a continué à fonctionner même s'il était étiré à 150 %.
Les appareils ont également été testés pour voir dans quelle mesure ils fonctionnaient dans certaines tâches assignées, notamment la reconnaissance des lettres orthographiées lors de l'épellation digitale et la reconnaissance de la langue des signes.
Actuellement, les appareils portables utilisés pour suivre l'épellation digitale ont des difficultés à effectuer des mouvements parallèles sans plier les doigts. Le dispositif à rigidité hétérogène nouvellement développé a pu classer avec précision entre 91 % et 98 % des lettres épelées, selon le modèle de traitement utilisé pour analyser les données, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre les différences dans les modèles d'apprentissage.
Les chercheurs ont également avancé que la technologie pourrait aller au-delà de la reconnaissance des doigts et reconnaître la langue des signes américaine, une technologie très recherchée. Les défis liés au développement de cette technologie vont cependant au-delà des limites des appareils portables extensibles et des développements supplémentaires sont nécessaires.
À l’avenir, les chercheurs prévoient de développer davantage d’appareils avec cette nouvelle technologie.
« À terme, notre objectif est de réaliser une électronique hybride extensible qui intègre l'électronique à semi-conducteurs et extensible en utilisant les propriétés électroniques des dispositifs rigides et des matériaux élastiques, et en les intégrant à la technologie de traitement de l'information », a déclaré Ota.
