工研院創新技術盡現下世代科技

撰文/趙心寧、陳怡如、唐祖湘

儘管受到疫情影響,美國消費性電子展(CES 2021)首度線上展出,仍未影響其科技風向球的地位。因應「CES All Digital」,工研院於12月底發表參展網站,宣布以人工智慧(AI)、機器人(Robotics)及數位健康(e-Health)等多項創新技術參與2021 CES數位展,並,其中「iDarlingWeaR嬰幼兒智慧照護裝置」獲得2021年「CES創新獎」殊榮,成為展中亮點。

全球消費性電子產業盛事-美國消費性電子展,主辦單位消費者技術協會(CTA)特別在展前,搶先曝光CES創新獎(CES 2021 Innovation Award)名單。工研院「iDarlingWeaR嬰幼兒智慧照護裝置」,在經濟部科專支持下,以非接觸微型生理感測,體貼守護嬰幼兒的特點,在眾多國際廠商中脫穎而出,拿下「穿戴式科技類創新獎」,是臺灣唯一獲獎的研發機構。

CES全數位展出固然少了萬人爭睹黑科技的盛況,參展廠商透過網路平台也呈現出百花齊放的創意。工研院的CES主題網站,以AI、Robotics及e-Health為題,展出包括:擁有仿生手掌,可抓取形狀不規則與軟性物件,甚至彈電子琴也難不倒的「類人雙臂機器人」;以獨創AI演算法對電池做即時校正,提升電池安全性與使用壽命的「自學式電池管理系統」;可感知睡眠品質、偵測睡眠階段偵測的「睡眠學習技術」等12項創新技術。這些令人引頸期待的下世代科技,CES後也會持續在網站上展示。

貼身守護小寶貝 iDarlingWeaR嬰幼兒智慧照護裝置

新生兒猝死症讓許多爸媽聞之色變。根據統計,二至四個月的新生兒是嬰兒猝死症的好發族群,發生率約0.1%~1%,透過嬰幼兒的健康分析與管理,即時掌握、即時預警,可降低一歲以下嬰幼兒猝死風險。

工研院洞見這項需求,自主開發「iDarling WeaR嬰幼兒智慧照護裝置」,將約手指長度的感測器,結合包巾置於嬰兒胸口,藉由專屬APP與藍芽連線,嬰幼兒的心跳、呼吸與活動力指數一覽無遺,不僅可了解嬰兒處於安睡或甦醒狀態,一旦出現異常,也能透過行動裝置,即時警示家長或照護者。

「嬰兒呼吸能力弱,窒息風險高,如果有穿戴式裝置可以隨時監測生理資訊,讓爸媽遠端掌控,就能解決照護痛點!」工研院服務科技系統中心組長林宏墩說,開發團隊掌握「非接觸」與「穿戴舒適」兩大重點,花費半年時間,找來10對以上新手爸媽,反覆量測上百次,才確認「低功率非接觸生理感測技術」(Low Power Microwave Sensing;LPMS)可以完全滿足使用者需求。

林宏墩說明,「近場感測」是一種低功率技術,對人體既不會產生危害,也不必擔心接觸嬰兒敏弱肌膚造成不適。與同類嬰幼兒照護用的攝影監視器、聲音監聽器產品相比,iDarlingWeaR不受聲音、光線等環境因素干擾,在無光線環境中也能順利運作,每分鐘平均心跳誤差率小於5%。由於體積小且採用無線感應,能持續守護嬰幼兒無空窗期,對新手父母相當友善。

根據Grand View Research研究,全球嬰幼兒照護產品市場規模預計於2025年達到16.78億美元,2018到2025年的年均複合成長率將達到5%,市場潛力不可小覷。工研院服務系統科技中心執行長鄭仁傑表示,iDarlingWeaR也適合導入如月子中心、托嬰中心等大型嬰幼兒照護機構;更可延伸到醫療院所、地區診所等場域,整合應用於遠距智慧健康及照護服務,有效減輕照顧者人力負擔,提昇照護品質。

工研院開發的睡眠學習技術,以非接觸的方式運用低功率的電波偵測使用者的睡眠狀態與品質 ,當偵測人體進入深睡期後,透過設備播放白天學習資料,刺激大腦海馬迴將短期記憶轉化至大腦皮層成為長期記憶。
工研院開發的睡眠學習技術,以非接觸的方式運用低功率的電波偵測使用者的睡眠狀態與品質 ,當偵測人體進入深睡期後,透過設備播放白天學習資料,刺激大腦海馬迴將短期記憶轉化至大腦皮層成為長期記憶。
工研院開發的自學式電池管理系統技術,以獨創的AI演算法針對環境、電池劣化、駕駛行為等動態變化對電池資訊做即時校正,直到電池組汰役前均可準確電池劣化程度以及剩餘里程,更可幫助電池平衡等控制策略提升電池組的使用壽命、安全性與汰役再利用的價值。
工研院開發的自學式電池管理系統技術,以獨創的AI演算法針對環境、電池劣化、駕駛行為等動態變化對電池資訊做即時校正,直到電池組汰役前均可準確電池劣化程度以及剩餘里程,更可幫助電池平衡等控制策略提升電池組的使用壽命、安全性與汰役再利用的價值。

心血管疾病OUT! 心照護穿戴裝置顧身也護心

衛福部統計,臺灣每24分鐘就有1人死於心臟病,心血管疾病無疑是國內民眾健康隱憂。對於心血管疾病高危險群來說,配戴可持續監測的穿戴裝置,若發現異常時可馬上送醫,是預防意外發生的重要幫手。

市面上的智慧手表產品五花八門,但大多無法連續量測,且加壓式血壓計束縛感過強,長期使用的舒適度不佳,由工研院獨家開發的可攜式「心照護穿戴裝置」(iCardioGuard),從軟硬體技術雙管齊下,解決實際應用痛點。

硬體方面,工研院採用複合式生理感測技術,以非接觸微波與心電圖感應方式,只需3秒鐘就能完成心跳、呼吸及血流訊號之監測,並即時透過藍芽傳輸至手機APP。除了安裝在傳統心跳帶外,也可直接貼於胸口,或是搭配電極貼片、智慧衣使用,創造多元化個人健康管理應用領域。

軟體方面,工研院特別開發出「心血管與心理狀態分析演算軟體」,以獨家演算法根據血流傳導時間,推算出最精確的舒張壓與收縮壓以及目前心跳呼吸狀態。該演算法還能分析心率變異性來偵測使用者的心理平衡狀態,當使用者處於情緒高漲、高度壓力或是疲勞等狀態,系統都能發出相應警訊通知,不僅顧「身」也顧「心」。

工研院服務系統科中心執行長鄭仁傑表示,心照護穿戴裝置操作簡便,偵測速度快,並支援遠端監控,可應用於各個年齡族群,提供連續心血管狀態偵測及心理分析,為居家健康照護、運動健身評估與銀髮長照,提供更完整細膩的照護。

目前工研院正與業者合作申請臨床認證,將應用於智慧醫療領域。鄭仁傑表示,臺灣的資通訊技術與醫療產業具有全球競爭力,而工研院長期深耕資通訊與生醫跨領域,可扮演兩個領域之間的橋樑,合力進軍智慧醫療市場,以科技守護全民健康。

解讀肌膚密碼  手持式膚質光學同調斷層掃瞄儀

根據Euromonitor資料統計,2019年全球化妝品市場規模增速在5%至5.5%之間,全球化妝品市場規模已經達到5,148億美元。其中皮膚照護商機逼近千億美元,占整體市場的三分之一,然而皮膚照護產業缺乏科學證據驗證,始終在產品是否能產生實質效益上屢屢卡關。

有鑑於此,工研院積極投入研發,成功研發出「手持式膚質光學同調斷層掃瞄儀」,不僅可以提供即時、易操作、客觀的膚質檢測,也能夠看到真皮層膠原蛋白含量,是第一個具有科學證明的手持式光學掃描系統,並入圍2018年全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)。

工研院生醫與醫材研究所經理江鴻志指出,這項技術採用非侵入式的高階光學影像技術(OCT),能即時呈現皮膚組織的斷層結構影像,提供表皮與真皮層交界面皺褶程度、膠原蛋白密度、血管形態、毛囊狀況等膚質評估,甚至能探測到皮下2公釐(mm)的皮膚組織狀況,達到目前醫美皮膚分析儀器無法測得的層級。

研發期間,團隊與醫師密切合作,將文獻資料、實驗結果與專業知識,透過深度學習整合到儀器的判讀軟體內,讓檢測解讀更準確,打造出兼容生物差異與精準性的完美模型;此外,考量到傳統光學斷層掃描儀大而笨重,研發團隊更找來光譜儀公司合作,幾經嘗試,才將光譜儀縮小為輕巧可攜帶的手持式。

手持式膚質光學同調斷層掃瞄儀不僅是跨域整合的策略性科技產品,在應用方面也能跨足醫美與研究領域,除了醫美界受惠,未來皮膚病理學專家也能運用這項技術進行皮膚老化研究,為市面上皮膚檢測掃描儀器寫下嶄新一頁,解開肌膚老化的神秘密碼。

手持式膚質光學同調斷層掃瞄儀可提供即時、易操作、客觀的膚質檢測,也能夠看到真皮層膠原蛋白含量。
手持式膚質光學同調斷層掃瞄儀可提供即時、易操作、客觀的膚質檢測,也能夠看到真皮層膠原蛋白含量。

睡覺也能背單字 睡眠學習技術

睡覺也能背單字?宛如科幻電影的情節,卻在生活中真實上演。由工研院獨創的「睡眠學習技術」,運用WiFi無線電波進行非接觸式的生理訊號量測,一旦偵測到人們進入深睡期後,即播放白天背誦過的單字,可有效加深印象。

工研院資訊與通訊研究所經理劉家隆妙喻,這個技術好比小叮噹裡的「記憶吐司」,是許多人夢寐以求的「黑科技」。事實上,當人類進入深度睡眠階段,正是大腦整理記憶的時刻,國外也有研究證實,進入深睡期播放白天學習的單字,確實可加強記憶。

只是過去要確認人們是否進入深睡期,都是藉由接觸式的貼片或裝置來偵測,既不方便也不舒適。而工研院利用WiFi雷達通訊,只要在臥房內放置一個WiFi AP裝置,透過發送訊號,偵測人體的呼吸穩定度和翻身次數等生理資訊,人體只要一有起伏變動,訊號也跟著改變,藉此判別睡眠階段,目前判別正確率已達8至9成。

劉家隆表示,這種非接觸式偵測技術在業界並不多見,最大的技術關卡在於,「無線訊號一打出去,至少5、600條路徑,收回來的訊息量又大又複雜。」工研院分析訊號回彈路徑,利用人類呼吸平均每分鐘8到30次的頻率,抓出屬於人體生理數據的變化,進一步判定睡眠時期。

人的睡眠周期是由清醒期、淺睡期、深睡期與快速動眼期所組成,每90分鐘一個睡眠周期,其中深睡期約占整晚睡眠15%至25%。由於前兩個周期的深睡時間最長,學習效果最好,學習素材也會在這個時候播放。該技術現正與醫院合作,設計教材與成效追蹤APP,先鎖定國小、國中等學齡階段的孩童,以嚴謹的實驗設計,測試其效果。

為了提升整晚的睡眠質量,國外也已有研究證實,當人們進入第一周期的深睡期之前,只要開啟特定波長的紅光,大腦中的松果體就能促進人體分泌退黑激素,較快進入深睡時間。工研院也開發「睡眠光調節模組」,自動調節出可幫助較快進入深睡期的環境燈光,透過這兩項技術雙軌並行,可達到更好的學習效果。

工研院獨創睡眠學習技術,一旦偵測到人們進入深睡期後,即播放白天背誦過的單字,可有效加深印象。
工研院獨創睡眠學習技術,一旦偵測到人們進入深睡期後,即播放白天背誦過的單字,可有效加深印象。

高仿生設計 類人雙臂機器人

結合纖細機器雙臂、仿生手掌,造型優美時尚的雙臂機器人,在本屆CES線上亮相,乍看之下,還以為星際大戰的黑武士重出江湖!其實這是來自工研院獨家研發的「類人雙臂機器人」(Dual Arm Robot System;DARS),內含多項創新技術亮點,比起傳統單臂機器人,更接近人體動作模式。
工研院機械與機電系統研究所智慧機器人組副組長張彥中表示,傳統機器手臂末端需搭配專屬夾爪來進行各項任務,但多半僅能抓取特定外型或是硬度較高的物件,工研院的仿生手掌則直接仿造人體手掌結構設計,除了可五指彎曲外,還有6個可動式關節,讓抓握動作更細膩,無需更換爪片,即可抓取多元形狀甚至是軟性物件,足以因應少量多樣的生產線彈性需要。

而精巧結實的機械雙臂,與傳統工業型六軸機械手臂相比,每支手臂多增一關節變成七軸,擺動幅度與範圍更為靈活,使用碳纖與金屬複合材料,尺寸僅比成年男性手臂略粗,重量僅15公斤,在緊湊與輕量化設計之下,該手臂仍保5公斤的舉重能力,用時下流行的健身術語比喻,就像是有練過的「肌肉男」,其負載表現完全不輸給重達3、40公斤的機械手臂。

出色外觀是另一大特點,研發初始,團隊就將DARS朝向服務型機器人、但兼具工業型機器手臂強度功能為目標,期使未來應用領域更廣泛,為考量使用者觀感,體型不能粗重龐大帶有威脅感,因此設定重量、體積等範圍,並邀請工研院中區分院的設計團隊跨刀參與,在配色與整體設計上多方要求,此款罕見走時尚風、如電影主角的雙臂機器人終得以問世。

為了在細節上更臻完美,研發期間也擦出不少火花,例如為符合體積輕量纖細的要求,「斤斤」計較不夠,還要「克克」計較,曾發生機體結構縮小,訊號線與電源線卻塞不下,手臂擺動時,線路還會扯在一起,以及軟硬體磨合等問題,花費許多工夫布建,才有如今樣貌。

DARS除了在製造、醫療與危險工作環境取代傳統人力,餐飲、服務、智慧家庭的應用也相當有潛力,張彥中透露,未來會加強DARS先進視覺與觸覺感知系統、訊號處理等功能開發,讓它與人類互動協作更順暢;也將視產業反應,客製化機械手臂與手爪,提供更貼近市場需求的選擇。

在緊湊與輕量化設計之下,DARS的手臂仍保5公斤的舉重能力,其負載表現完全不輸給重達3、40公斤的機械手臂。
在緊湊與輕量化設計之下,DARS的手臂仍保5公斤的舉重能力,其負載表現完全不輸給重達3、40公斤的機械手臂。

導入AI揮別里程焦慮  自學式電池管理系統

臺灣電動機車市占率2019年達18.7%,已經是不可忽視的交通工具,然而「電池」卻一直是電動機車騎乘時的最大挑戰。因為早期電池容量小,可續航里程有限,加上消費者的3C產品使用經驗,不信任電量估測結果。工研院材料與化學研究所經理孫建中表示,只要看到電量低於50%以下,使用者便會出現「里程焦慮」,擔心半路沒電,不敢繼續騎,「這造成電池在0%至50%的使用率極低,無法發揮最大價值。」

要解決里程焦慮,不單靠電芯的進步,「電池管理系統」更是關鍵。工研院開發出「自學式電池管理系統」,在電池電路板中導入AI技術,即時蒐集電壓、溫度、電流和電量等資料,記憶學習不同騎乘者的駕駛習慣,自動計算校正,確保電量準確度誤差小於5%。

孫建中指出,電池可信度下降的最大問題,就是沒有將電芯劣化程度納入。以新品電芯容量100Ah為例,當電池不論劣化多嚴重,只要達到充飽電條件時一律顯示100%;也就是同樣剩下60Ah的電量,新品狀態顯示60%,但當電池劣化20Ah之後,卻會顯示75%的電量。此外,當同樣消耗20Ah時,新電芯電量下降20%,劣化的電芯其實已經下降25%,因此當使用者感受到電池劣化時,伴隨的結果就是不信任電量顯示值,因此用電量愈來愈保守,充電次數頻繁,造成電池劣化加劇。

有鑑於此,自學式電池管理系統跳脫目前普遍使用的電量百分比或格度的顯示模式,轉而直接顯示電池劣化容量、消耗容量、剩餘容量等資訊,不管電池劣化程度為何,始終顯示精確電量和剩餘里程,提升騎乘者的信賴。

事實上,電池管理系統不只用於電量顯示,在電動車輛的安全性、可靠度、性能、壽命等更扮演關鍵角色。孫建中解釋,當電池在低電量、過熱或低溫等狀態,系統會進行放電限制,在安全狀態下盡量維持車輛運行,避免沒電突然剎停影響行車安全;在過度充電、放電時也有保護機制。

自學式電池管理系統應用範圍廣泛,不僅可用於各類鋰電池產品,包含兩輪到四輪的電動載具,還有大型儲能系統,未來用電量大的企業或電力公司也都是潛力用戶。目前工研院已與光陽機車展開合作,將系統導入該品牌電動機車;也與港都客運攜手導入電動巴士,為將來臺灣電動載具打入國際市場,儲備更多競爭優勢。

文章轉載自工業技術研究院工業技術與資訊

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