AI-drevne sko låser op for hemmelighederne bag din sål

Forskere ved Stevens Institute of Technology har udviklet en AI-drevet, smart indersål, der øjeblikkeligt forvandler enhver sko til et bærbart ganganalyselaboratorium.

Arbejdet, rapporteret i januar 2020 udgave af IEEE-transaktioner på neurale systemer og rehabiliteringsteknik , kunne gavne kliniske forskere ved at tilbyde en ny måde at præcist måle gangfunktion hos patienter med bevægelsesforstyrrelser eller muskel- og skeletskader, i deres livsmiljøer. Teknologien kan også føre til betydelige fremskridt for atleter, ved at hjælpe dem med at forbedre deres løbeteknik.

"Fra et praktisk synspunkt, det er uvurderligt, " sagde Damiano Zanotto, hovedforfatter og direktør for Stevens Wearable Robotic Systems Lab. "Vi er nu i stand til præcist at analysere en persons gang i realtid, i virkelige miljøer."

At tage et enkelt skridt kan virke simpelt, men at fange pålidelig information om en persons gang i virkelige miljøer er fortsat en stor udfordring for forskere. Guldstandard ganganalyseteknologier, såsom kamerabaserede motion-capture-systemer og kraftplader, er dyre og kan kun bruges i laboratorier, så de giver få indblik i, hvordan folk går rundt i den virkelige verden. Nye bærbare teknologier såsom smarte sko, bælg, og indlægssåler kan potentielt overvinde denne begrænsning, men de eksisterende produkter kan ikke give nøjagtige gangdata.

I deres arbejde, Zanotto og hans team viser, at deres smarte indlægssål kan levere realtidsdata om længden, hastighed, og kraften af ​​en bærers skridt med bedre nøjagtighed end eksisterende fodbårne teknologier - og til en brøkdel af prisen for traditionelt laboratorieudstyr. (Zanotto og hans team søger to patenter vedrørende SportSole, og adskillige virksomheder og professionelle sportsfirmaer følger nøje holdets arbejde.)

Holdets SportSole-teknologi bruger accelerometre og gyroskoper til at overvåge sin egen bevægelse og orientering i rummet, og en række kraftsensorer til at detektere plantartryk, giver den mulighed for at fange 500 aflæsninger i sekundet - omkring en femdobling i forhold til smarte skridttællere og andre bærbare ganganalyseværktøjer.

Den ægte magi, imidlertid, sker uden for skoen. Bærbare bevægelsessensorer er i sagens natur støjende. For at overvinde den udfordring, Zanotto simrer de 500 målinger i sekundet ned til blot nogle få nøglefunktioner, fører derefter resultaterne ind i en AI-algoritme, der er i stand til hurtigt at udtrække gangparametre, der er nøjagtige inden for et par procentpoint.

Det er en stor forbedring i forhold til andre AI-ganganalyseværktøjer, som er beregningsintensive og kræver data, der skal registreres til senere analyse. Stevens-systemet er langt mere effektivt, gør det muligt at bage den ind i en mikrocontroller, der er i stand til at levere ganganalyse i realtid.

Det virker også, uanset om brugeren går eller løber, og genererer nøjagtige resultater uden at kræve kalibrering eller tilpasning til individuelle brugere. Foreløbige test tyder på, at SportSole endda virker med børn helt ned til tre år og ældre med vestibulære lidelser, hvis gangmønstre er meget forskellige fra raske voksnes.

En sådan ensartet nøjagtighed er imponerende, fordi de fleste gangforskere bruger avancerede sensorer, der koster $1, 000 eller mere i et forsøg på at reducere fejl. Derimod Zanotto og hans team brugte hyldesensorer, der kostede omkring $100, stole på AI til at udtrække pålidelige data. "Vi opnår de samme eller bedre resultater til en langt lavere pris, og det er en stor ting, når det kommer til at skalere denne teknologi, " sagde Zanotto.

For nu, selvom, holdet fokuserer på at teste SportSole til klinisk brug. En diskret, bærbar gangmonitor kan hjælpe forskere med at optimere behandlinger til mennesker med bevægelsesforstyrrelser, tillade fjernovervågning af sårbare befolkningsgrupper, eller tilbyde vigtig indsigt i sikkerheden og effektiviteten af ​​nye behandlinger, der kan påvirke gang og balance.