動作偵測智慧服— E-Coachee

「智慧紡織品」被視為是全球紡織業繼機能性、環保型紡織品後的下一波高峰，各大公司與機構都紛紛投入研發搶先卡位。智慧紡織品是一門跨領域、整合性的工藝技術，必須整合紡織、電子、光電、資通訊、材料、設計、市場整合等各式差異性極高的專業學門。智慧服飾的功能也隨著科技的演進，也從基本的心跳感測、肌電感測慢慢地提升到動作偵測，也為智慧紡織品注入一股新的動力以及無限可能性。

美國Research and Markets市場調查報告指出，智慧型紡織品年複合成長率30.4%，全球產值預計於2025年達到55.5億美元的產值（參見圖1[1]），並則認為體育和健身行業的產品需求增長將有助於智慧型紡織品市場規模的增長。

圖1　Research and Markets智慧紡織品市調報告[1]

資料來源：Grand View Research

由於應用的範圍可從嚴肅的軍事與醫療，到休閒的體育、娛樂遊戲等，動作偵測（Motion Capture，MOCAP）服飾將會是下一個智慧紡織品的主力項目。Mordor Intelligence[3]研究指出，動作偵測服飾在2019年全球市場價值為1.46億美元，預計到2025年將達到2.84億美元，年複合增長率為12.12%。此外，全球對於健身（Fitness）及運動（Sports）在內的體能活動服裝（Active Wear）需求也一直不斷地成長，北美運動服裝的銷售額比重超過全球的37%，是第一大市場。2015年Nike在北美的銷售業績較2014年成長12%，Under Armor則成長23%，其他如Lululemon等具全球指標性服飾也有類似的成長。新一代的動作偵測服，除了提供基本的生理訊號之外，使用者也能夠在進行專業訓練與運動時，得到高效率與安全性。以下介紹目前市面上動作偵測服飾，對於其開發時的目的、偵測元件的設計、整合資料的系統、操作介面的功能與營運推廣的分針等五大面向加以詳述與分析。

一、ATHOS

由美國MAD APPAREL, INC.所開發的智慧衣，目的是為了讓使用者可以更能了解自身肌肉的運用，藉此提升訓練的效率。讓使用者了解在訓練/運動時肌肉運用情形，並分析訓練過程中的肌肉活動、肌力、心率、平衡感和呼吸速率，藉此了解訓練時姿勢是否正確並提供適時的建議[4]。該服裝可分成上衣以及短褲兩部分，上衣的部分包含了14組EMG（肌電圖）來偵測上半身的肌肉，兩組心跳感應器和兩組呼吸感應器；短褲的部分則是有八組EMG感應器和四組的心跳感應器。共可測量14個不同的肌群，如二頭肌，三頭肌，斜方肌，三角肌，臀肌等，並可以依據本身具有的六軸加速規用來偵測運動時的方向，如圖2所示。

圖2　ATHOS智慧衣

資料來源：ATHOS

該服裝可透過藍牙傳輸系統，將感測器所測得的身理訊號資訊，如：心跳、呼吸、肌電圖、運動方向等關鍵數據，傳輸到平板電腦、智慧手機等隨身3C裝置（參見圖3）。將其訊號整合到開發的APP作即時顯示及分析，使用者可以從操作介面上，了解到各肌群使用程度，以確認訓練時各肌群所訓練的強度，以達到雕塑完美體態的目的，如圖4所示。

圖3　ATHOS操作介面

資料來源：ATHOS

這種多功能的智慧服飾，可以提供專業運動員高效率與高安全性的訓練。例如美國職業籃球隊（NBA）總冠軍隊伍金州勇士隊（Golden State Warriors），就是採用Athos智慧服做為該隊在訓練時的「黑科技」裝備，來提升球員的訓練效率以獲取優秀的成績（參見圖4）。職業美式足球球隊（NFL）的綠灣包裝工（Green Bay Packers）的後衛Clay Mathews，也是利用Athos來提升訓練品質[5]。這也是Athos所一直在努力的方向，通過科技來輔助運動員去了解訓練強度的細微差別，幫助專業運動員可以有更好表現與避免受傷。Athos提供給球員、訓練師，以及球團多樣態的人體資訊及動作偵測，可在訓練過程中，計算所付出的「努力」，整合肢體動作與肌電訊號從而了解肌肉的疲勞程度，進而防止受傷與加速恢復速度[6]。

圖4　金州勇士隊與Athos團隊合影[7]

資料來源：ATHOS

二、E-skin

由UTokyo Innovation Platform（東京大學支持的投資公司），Beyond Next Ventures（BNV）和日本科學技術署（JST）共同投資約3.8億日幣的Xenoma[8]，開發出一套可以將人體完整地鏈結3C產品並結合虛擬實境（Virtual Reality，VR），讓使用者直觀地在VR世界中進行操控，省去雙手的控制器，而讓操作的畫面更加滑順與簡潔的動作偵測服飾–E-skin，如圖5所示[9]。

圖5　E-skin與虛擬實境遊戲串連[9]

資料來源：Xenoma

Xenoma團隊是從東京大學資訊工程系所衍生成立的公司，主要是以程式設計為主體，之後與日本傳統紡織大廠豐島株式會社進行智慧紡織品設計與開發，並且獲取該司投資以完成初期的樣品– E-skin[10]。該程式碼支持Java SDK，Visual C＃，可用於MacOS和iOS的Unity和Unreal Engine以及與Microsoft HoloLens交互的通用Windows平台（UWP）上的應用程序開發。其軟體開發套件（Software Development Kit, SDK）可透過數據和運動可視化工具，整合了機器學習功能。也因為有豐島株式會社在服裝設計能量與材料開發技術，讓Xenoma團隊得以在服裝設計上有所突破。

E-skin是利用金屬紗線形成拉伸型電阻變化元件，表面再輔以彈性導電漿料協助訊號的傳遞以及提供防護功能，當移除中央處理器之後，該服裝可以整件投入洗衣機進行水洗。除此之外，該導電紗線亦可以當作訊號傳遞的媒介，將所搜集的訊號傳輸到中央加速規元件既資料處理器。E-skin可隨著身體運動而作出反應，把身體的動作真實地回饋，整體配置為14個傳感器和6軸加速陀螺儀，去捕抓身體每一個動態行為，而無需使用其他3D運動偵測掃描器，其精密度甚至連呼吸的擴張/收縮也能重現。當訊號傳遞到中央資料處理器後，便會透過藍牙進行整體的資料傳送至各種3C產品來做回饋與連結[11,12]。E-skin除了可以與虛擬實境遊戲進行快速的連結之外，用在運動科學上，則是可以分析專業的運動員在訓練過程中的身體動作與軀體姿勢，藉此控制訓練強度，防止運動傷害並提高鍛練效率，如圖6所示[10]。

圖6　E-skin智慧服與訓練模擬[10]

資料來源：Xenoma

近年來，Xenoma有另行開發「E-skin Sleep＆Lounge」，這是一款專門為老年人設計的智能睡衣，可以追踪佩戴者的日常生活，分析睡眠狀況並檢測跌倒情況。由於日本和世界各地都面臨缺乏看護人的問題，因此該解決方案正是銀髮市場所需，如圖7所示。Xenoma的產品陣容還包括為健身而設計的「E-skin EMStyle」，可以讓戶外運動與瑜伽或常規肌肉訓練一樣成為一種訓練選擇（參見圖8）。Xenoma的其他產品包括：嬰兒用產品E-Skin Coo；用於上半身的E-Skin IMU；可分析和改善關鍵手臂運動的E-Skin Arm Sleeve，以及用於監測日常生活條件下的心血管健康E-Skin ECG襯衫等不同需求之產品[13]。

圖7　Xenoma的E-Skin Sleep＆Lounge[13]

資料來源：Xenoma

圖8　Xenoma的E-skin EMStyle[13]

資料來源：Xenoma

在營運行銷方面，Xenoma分為三個方向進行，分別是與日本國際型公司、日本學研機構合作、以及上架募資平台。這三種方向都有著不同的作用，與日本的全球電子公司以及各大公司合作，可以進行實務性的交流與產品設計回饋，強化設計並實際了解需求面；與學研機構合作，日本國家研究中心以及包括母校東京大學在內的日本大學，則是可以加強研發的深度；在募資平台進行相關的募資與推廣，則是可以讓更多相關產業的使用者能夠更快速地了解Xenoma這間公司以及E-skin各項產品[14]。

三、Enflux

美國Enflux是開發用於防止傷害的動作捕捉服裝，目的是為傷害預防和加速康復，保護全美運動員和勞工的安全，預估該市場潛能將大於美金380億[15]。該服裝可分為四組套件：褲子，上衣，肘袖套與膝蓋袖套。使用時，直接將運動傳感器嵌入到套件中，藉此測量整個身體的運動模式，如圖9所示。其中上半身的傳感器為：肩膀、手臂和肘部共5個傳感器；下半身用於偵測身體核心和膝蓋的5個傳感器。此外，在關節部分有專屬套件配合著傳感測使用，上半身的肩膀或肘部的評估，有2個傳感器的肘部套筒；下半身則是有2個傳感器的膝蓋套，如圖10所示。

圖9　Enflux傳感器[15]

資料來源：Enflux

圖10　Enflux傳感器裝置位置[15]

資料來源：Enflux

與傳統需要大型的運動偵測環境相比，該整體設備成本降低了10倍以上，對於資料的擷取與更新可縮短至30秒，且完全可以通過藍牙進行測量與監控，並提供即時的數據分析以及針對傷害預防。

Enflux是由麻省理工學院（MIT），紐約大學（NYU）和維吉尼亞理工大學（Virginia tech）的研究中心聯合開發出基礎原型，之後再與南卡羅來納大學（USC）、北卡羅來納大學教堂山分校（UNC-Chapel Hill）等研究中心合作，整合相關技術而製造出的動作偵測服飾。該系統是使用電腦自動學習系統並輔以數據分析，通過監視運動來確定受傷之風險。並著眼於特定的關節動力學，例如加速度、角度和運動範圍，來評估疲勞程度與分析危險性的關節動力學，並使用簡易模式來識別運動類型，將運動進行風險分類，如圖11所示。
 

圖11　Enflux運動監控模式[15]

資料來源：Enflux

Enflux目前被佛羅里達州的職業美式足球球隊坦帕灣海盜隊、美國奧林匹克隊和美國空軍精英運動員進行實地測試與使用，希望藉由獨特的姿態辨識技術有效地防止運動員產生嚴重的運動傷害。在使用後，運動員的膝蓋受傷率有實際地減少50%。除了運動產業，Enflux也與Microsoft和Bouygues Construction（法國第三大建築集團）合作，目前仍持續合作當中[15]。

四、Xsens

由荷蘭特溫特大學（University of Twente, UT）的Casper Peeters和Per Slycke於2000年創立的Xsens，是從微型運動傳感器可用於測量運動員成績所得到的啟發。之後專注於動作感測器元件和演算法開發，該感測器除了可用於人體運動測量外，對於工業上設備與機台的應用亦可以提供穩定的品質。Xsens成功運用於三維角色動畫、康復和運動科學、機器人和照相機穩定系統等領域，客戶遍佈世界的許多其他公司和研究機構。該司的研究部門在多個感測器資料融合演算法（將Inertial Sensors與輔助技術相結合，如GPS和RF定位以及生物力學建模）領域中創造了獨特的系統，並獲取智慧財產權。該感測器元件是功能齊全的獨立式AHRS，VRU和IMU，於12.1 x 12.1 mm小型PCB上有感測振動的陀螺儀，加速度計和磁力計等各種不同功能晶片。輔以可靠的MEMS的INS、AHRS、VRU和IMU的先進技術，為動作偵測感測元件樹立了新的標準，成為新一代光學陀螺儀產品，如圖12所示。

（a）（b）

圖12　Xsens感測元件：（a）感測器內部，（b）感測器外觀

資料來源：SystemAccess

Xsens所特別開發的運動捕捉軟體MVN Animate數據資料，可即時串聯至Delmia、Siemens Jack、Motion Builder、MAYA、Unity等專業電腦動畫製作軟體，直接進行分析應用，同時也能輸出至C3D、3Ds Max、UDK三維電腦圖形軟體內等進行後續處理。Xsens所製作的動作偵測服裝MVN，是利用20個運動偵測裝置，構成了一套能夠即時捕捉人體骨骼與姿態六個自由度的慣性動作捕捉系統，可以即時記錄和查看運動捕捉效果，如圖13所示。以微型慣性運動感應器和無線傳輸系統為基礎，融合了生物力學數據通過無線通信，直接將相關數據傳導至電腦中，可廣泛地應用3D動畫、人機工程設計、以及運動醫學。

圖13　Xsens MVN感測服

資料來源：Xsens

也因為Xsens卓越的動作偵測與其簡便的操作系統，令專注於電子藝術以及商業電影的電影公司Strange Company注意到該服裝的潛力以及可應用性，投資Xsens MVN運動捕捉服。Strange Company是世界上最久遠也是最專業的遊戲電影（Machinima）製作公司，於1997年創立，該司為BBC和電子藝術製作了許多獲獎獨立電影以及商業電影。Strange Company的創辦人之一Hugh Hancock提到：「我們將不再使用需要大量清理拍攝場地，也可以捕捉超過11英呎（3.35 M）的距離，並可將捕獲到動作直接整合至我們的3D角色中。」。透過使用Xsens MVN套裝，所節省的時間為Strange Company提供了極大的靈活性並且可比以前發行更多的電影創作。Hugh Hancock說：「以往我們每四年才能拍攝出一部電影，Xsens MVN讓我們得以拍攝出更多、更精采的作品，其套裝的動作捕捉速度和保真度令人難以置信!」[16]。

五、AiQ

來自台灣紡織大廠南緯旗下專門開發智慧服的公司AiQ Smart Clothing Inc.，在智能服裝供應鏈中扮演著至關重要的角色。在2014年時，英特爾發表的一款智慧衣，就是與南緯攜手合作，看重AiQ在智慧服飾的研發有著不可取代的專業技術與潛在能量[17]。AiQ使用自南緯子公司之一的金鼎聯合科技纖維股份有限公司（Kings Metal Fiber Technologies）所生產的不銹鋼紗線，來提供智慧服飾功能、時尚與技術的整合。由金鼎所開發出來的不鏽鋼紗線與一般金屬纖維不同，是將一整根不鏽鋼棒材，軟化抽拉為一根直徑2 μm 的單體纖維，相當於一般成人頭髮的1/20。如此一來，該纖維具有金屬一體性、連續性與高強度的特性。目前，全世界僅三家公司生產金屬纖維，另外兩家皆從事工業用途，僅金鼎一家投入智慧衣開發。有了這項關鍵材料，AiQ無論是在體育運動還是健身，戶外休閒，家庭護理以及醫療保健方面，都具有將智能服裝概念變為現實的動力和能力。

動作偵測領域一直是AiQ長期計劃的一部分，與擁有25年以上經驗的Synertial合作，成立AiQ-Synertial品牌，提供具有電子硬體、智能織物、運動學工具和軟體的動作偵測產品。Synertial在慣性運動偵測領域領先25年，為全球工業4.0客戶、學術研究實驗室、機器人技術公司以及動畫和遊戲製作工作室之供應商。AiQ-Synertial融合動作偵測技術與面料材料科學，專為運動員和運動科學所設計，最多可搭配56顆動作偵測器來記錄每一個細微的動作，可用於智能服裝、國防、工業、醫療和一般消費者[18]。該服裝在清洗時無需拆卸內置傳感器，可將時間和記錄的數據由量身定制的圖表來加以呈現，藉此分析運動時動作正確與否，如圖14所示。其數據擷取與更換的速度更可高達為180 FPS；傳輸方式則是藉由藍牙/ WiFi傳輸進行180 Hz的傳輸；在SD卡容量記錄功率允許下，可進行連續200個小時不中斷的校準數據收集，其即時校準只需2個姿勢即可進行3秒校準[18]。

圖14　AiQ-Synertial動作偵測服飾與其軟體介面[18]

資料來源：AiQ-Synertial

六、紡織所E-coachee

有鑒於上述世界各家廠商的開發情況，紡織所開發的E-coachee則是取上述各家廠商的優點，並加以調整製作之可行性。E-coachee利用微型高速運算電腦LattePanda[19]當作訊號整合的處理裝置（如圖15所示），LattePanda採用Intel Atom Cherry Trail處理器，運作時脈為1.8GHz搭配2MB快取記憶體。具有Wi-Fi無線網路與藍牙4.0無線傳輸功能，以及2組USB 2.0端子、1組USB 3.0端子、10/100Mbps有線網路端子，以及HDMI影音輸出端子。能夠相容Arduino開發環境，也具有2組串列埠（Windows、Arduino各1組），以及22個GPIO端子（Windows 2個、Arduino 20個），讓LattePanda作為開發板，方便開發各種物聯網裝置[20]。

圖15　E-coachee的運算主機LattePanda

資料來源：DFRobot

另外選用現有市售的九軸加速規（MPU-9150）當作角度偵測器，藉此計算各關節彼此之間的角度變化[21]，該偵測器具有快速更新頻率（400 Hz）的特性，在進行訓練時，可以快速地運算相對位置與分析角度，並隨時更新最新資料給微型電腦，如圖16所示。E-coachee這套服裝在感應器的定位設計更是有獨到之處，利用服裝版型的設計與裁剪，搭配著感應器訊號最大化與清晰化研究，將感應器固定地放置在訊號最顯著的位置，且不會因為在進行動作偵測時，有所位移或是滑動。在訊號的傳遞方面，E-coachee利用彈性印刷迴路當作偵測器的訊號與能源的傳遞，該彈性印刷迴路除了具有彈性拉伸特性外，在後端的加工法也只須簡易的熱壓製程就可以完成製作，改善了必須仰賴高端特殊設備才可以進行後段產品加工，如此一來能讓現有的傳統紡織業快速簡單地完成製作，如圖17所示。

圖16　九軸加速規（MPU-9150）與運算相對位置與分析角度[21]

資料來源：TDK InvenSense

圖17　E-coachee定位設計與彈性傳導迴路

資料來源：紡織產業綜合所

在產品設計方面，E-coachee團隊觀察到現代人由於生活節奏的緊湊，健身以及室內運動也越來越普及，在健身的同時，如何能夠避免傷害且又要可以得到健美的體態，正確的姿勢是十分重要的關鍵。故E-coachee選擇，室內運動中最為重要的「深蹲」這個姿勢，作為動作偵測服飾的驗證。深蹲又名動作之王，正確的深蹲可以幫助瘦身，燃燒脂肪，促進全身肌肉建造，促進新陳代謝與循環，更可以平衡身體激素等等，如圖18所示。但若是姿勢錯誤，則容易對膝蓋產生傷害。

圖18　標準深蹲與其好處

資料來源：Heho健康

深蹲訓練的肌肉群以下半身為主，主要刺激臀大肌、臀中肌等臀部肌群，增加腿部周圍穩定肌群，並從而衍伸至上半身核心肌群。每一種深蹲的「角度」，對於各種肌肉的訓練程度亦有所不同。在15o～30o間，前十字韌帶的剪力最大，對於膝蓋有著最大的傷害；10o～70o，對於腿後側肌群刺激最大，可以正確地訓練到肌肉群；90o～130o之時，對下肢總體壓力最大，也是錯誤的角度範圍，如圖19所示。若是不停地進行錯誤的訓練方式或是姿勢的話，不但沒有達到預期強身健體之效，反而會造成身體不可逆的傷害，如圖20所示。

（a）（b）

圖19　（a）深蹲所運用之肌肉群；（b）深蹲各種角度之影響

資料來源：Aaron Swanson

圖20　正確與錯誤的深蹲姿勢

紡織所開發的E-coachee APP整合分布在不同位置感測器訊號，來確認使用者的動作確實與否。由於每位使用者的身形、年紀以及性別均有不同，所以在使用前必須先輸入個人身體資料存檔與分析，使用者在專業的教練指導下，完成10組正確的訓練姿勢並將其輸入儲存，該APP則會整合出該使用者的正確姿勢，之後便可以根據回饋訊號，判斷姿勢是否正確，如圖21所示。藍線為正確姿勢整合曲線，紅線部分則是測試者的動作曲線。在圖21（a）中，藍紅兩條線交疊，這表示此時的動作是為正確姿勢；另外在圖21（b）中，藍紅曲線的沒有交疊，故此為錯誤姿勢。該APP也可以針對得到的訊號回饋，了解到該動作錯誤點為何，如此一來使用者本身就可以了解訓練的姿勢正確與否，並隨時可以糾正在訓練時的動作誤差。此外，該數據也可以上傳到雲端伺服器中，進行長時間的紀錄並分析使用者的準確率比例與趨勢，為自身的健康進行監控。

（a）

（b）

圖21　（a）正確姿勢測試結果、（b）錯誤姿勢測試結果

資料來源：紡織產業綜合所

七、結論

動作偵測服飾是新一代的智慧紡織品代表，與傳統的生理感測不同，動作偵測更需要更複雜的軟體系統以及呈現效果。國際的動作偵測服飾大廠都是從各大學所獨立出來的，配合著各國的紡織大廠進行整體性的開發，所應用的範疇擴及娛樂性的動畫製作、日常性的健康訓練到準確性的醫療復健等領域。

E-coachee是一套整合資通訊、材料設計、紡織工藝的一套動作偵測服裝，讓一般3D動態的需求從大量資源的場域型，縮減到精簡的個人型。並且針對電子元件固及服裝設計有著巧妙的著墨，而彈性訊號迴路的加工更是可以讓一般紡織廠不需花費太多的人力與設備便可以簡單迅速地製作。這件動作偵測智慧服提供使用者們得以確認自身運動姿勢，進而達到健康的目的。在商業行為上，未來一位健身教練則可以透過E-coachee指導更多名的學員或是遠距教學，讓更多使用者能享受運動帶來的好處。

參考文獻

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