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用呼吸寫書法,從偵測地雷到「讀心」的UWB

文/劉珈均

紓壓音樂、駕駛狀態偵測、紓壓椅、運動計步器等等看似不相關的發明,都與「心跳」相關聯,而背後核心感測技術一開始是偵測地雷用的,這是怎麼回事呢?量測技術發展中心十幾年來研究非接觸式的生理感測技術,藉UWB與NPNS感測、解析生理訊號,研發一系列有趣而實用應用服務,已獲得67件專利。

「UWB(Ultra Wideband,超寬頻雷達感測技術)」與藍芽、Wi-Fi一樣,都用於無線短程訊號傳輸,而UWB其原理是低功率雷達,當受測目標產生脈動,發射與返回的脈衝信號時間間距也跟著變動,在適當距離內(約1公尺),UWB可透過微小變動偵測呼吸心跳等生理訊號,便成為非接觸式的感測器,不須緊貼皮膚,可隔著衣料感測,不受配戴形式或雜訊影響,特別適合需要密切監控生理訊號的對象如嬰幼兒、疾病患者。

量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩。

量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩。

團隊研究UWB已15年,工研院一開始與俄國航太大學合作研究,UWB早期作為軍事用途,如地毯式搜查地面下是否埋有地雷。「從出生到老,人對醫療的需求不減。」量測中心前瞻微型感測實驗室主任林宏墩說,因此團隊研究如何將UWB短程通訊轉而應用在醫療與民生用途,開發各式各樣的應用。

林宏墩說,「心跳」透漏著許多訊息,首先就是生命跡象;另外,一般多用腦波分析評估睡眠狀態,但受試者須配戴一些配件,此舉就可能影響睡眠,若以心跳分析便無此顧慮。心跳資訊可對應於人的睡眠狀態,繼而判斷人的疲勞程度,甚至也可偵測呼吸中止;現代人的保健意識漸漸崛起,注重健康與運動,透過心跳也可評估人們的運動是否有效,結合動作感測器,幫助人們記錄運動狀態的計步器便由此而生;心跳變異也與交感、副交感神經的狀態相應,而交感與副交感神經的活躍程度正是與情緒相扣連,解析心跳便也能初步推導情緒狀態。

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林宏墩說,感測人們睡眠時的心跳呼吸也能據此分析睡眠情況,但單單知道呼吸、心跳數值的意義還不大,「我自己也知道我睡眠不好,更重要的是知道以後,要如何解決它。」團隊靠演算法將心跳數值轉為有意義的資訊,再將資訊轉化為後續應用服務。

把UWB嵌入床墊裡便成了智慧床墊,有些人有呼吸中止症,而床墊持續感測心率與呼吸,一發現有狀況發生,便自動微調頭部與頸部傾斜角度,在不打斷睡眠的情況下就能幫助使用者恢復正常呼吸;他們也曾與風潮音樂合作,探討特定旋律舒緩情緒的效果,發行紓壓音樂輯;團隊也研發了一款紓壓椅,椅子埋有UWB生理訊號感測器,即時偵測人的心跳,推導當下情緒壓力指標,並推薦適合舒緩心情的音樂。

文創也是個應用面向,團隊曾在花博館設計一項作品,觀眾站在特定位置,眼前屏幕長了幾棵樹苗,感測到觀眾的心律而生長,蝴蝶也因此從蛹脫出、翩翩飛舞,彷彿觀眾將生命能量傳送給它;書法講究「氣」的流轉,表現在呼吸上就是運息,團隊曾與故宮合作「行氣」,感測器埋於椅子下,人坐上椅子,控制呼吸,面前的投影布幕會自動寫下書法字,字體隨椅上觀眾的呼吸呈現或濃或淡的墨色,觀眾「用呼吸寫書法」,名副其實的具現「行氣」。

回憶印象較深刻的研究過程,林宏墩說,有段時期團隊埋首研究騎腳踏車時的動作感測,成員賣力輪流騎腳踏車,先是在實驗室內騎健身腳踏車,再到路面試試顛簸環境下運作如何,「有成員騎到膝蓋都受傷了!」而研發困難點在於,實際應用場域不若實驗室單純,有許多雜亂的訊息干擾,必須不斷調整。

未來,團隊計畫研究非接觸式的血糖感測,並繼續開發更多應用服務。

研究非接觸式感測的量測中心團隊。

研究非接觸式感測的量測中心團隊。

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