朱顯暉 任昊田 北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué) 高二年級(jí) （指導(dǎo)教師：北京理工大學(xué) 湯戎昱 北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué) 遲蕊）

1 引言

1.1 研究背景

目前，對(duì)于除語(yǔ)言中樞受損外的語(yǔ)言障礙患者的福利措施已經(jīng)較為齊全。手語(yǔ)的使用也在慢慢普及。但是，有患者的語(yǔ)言障礙的病因是帕金森綜合癥，肌萎縮側(cè)索硬化即漸凍癥等疾病，或是他們是老年人。此情況下，要求該類(lèi)患者與正常人使用手語(yǔ)交流或用電子產(chǎn)品，紙張等打字、寫(xiě)字就是一件不可能的事情了，就像霍金遇到的情況一樣。在這樣的社會(huì)背景下，怎樣找到一種可以解決該類(lèi)病因引起的除全身肌肉萎縮外的語(yǔ)言障礙的通式，完善社會(huì)對(duì)于弱勢(shì)群體的關(guān)愛(ài)措施，不丟下任何一個(gè)患者一直是一件待解決的要事。

1.2 研究動(dòng)機(jī)

我的姨奶奶是一名糖尿病患者。常年的糖尿病使其喉及聲帶血管舒縮機(jī)能發(fā)生紊亂，導(dǎo)致聲帶粘膜組織增生而變啞。這樣說(shuō)來(lái)，我見(jiàn)證了一個(gè)正常人是如何變成一個(gè)語(yǔ)言障礙者的。

每當(dāng)我到姨奶奶家時(shí)，都能看到她熱情地打著手勢(shì)詢(xún)問(wèn)我的近況，但每次都需要她重復(fù)多遍我才能了解到所表達(dá)的大體意思。對(duì)于賽博朋克很感興趣的我也一直想象著是否能運(yùn)用人機(jī)交互的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題來(lái)了結(jié)我心中這樣的一個(gè)心結(jié)。后來(lái)在2017年的3月份，我有幸進(jìn)入北理工進(jìn)行學(xué)習(xí)研究。在參觀了北理工的各研究所和與教授交流中，一個(gè)關(guān)于仿生義肢的課題在我眼中展現(xiàn)。我毫不猶豫地想到也許語(yǔ)言障礙的難題也可以利用類(lèi)似仿生義肢的機(jī)制，即腦機(jī)接口的方法來(lái)解決。

腦機(jī)接口是賽博格技術(shù)的一種主要表現(xiàn)形式。“賽博格”(也有譯“半機(jī)械人，電子人”) 被定義為人依據(jù)和運(yùn)用一定的科學(xué)技術(shù)，即包括電腦對(duì)人的身體性能、機(jī)能進(jìn)行的控制與改造——例如安裝了假肢、假牙、心臟起搏器，就可使其獲得或者增強(qiáng)身體的某些功能。假如我們運(yùn)用更先進(jìn)的電子、生物技術(shù)，則有可能超越自然人體，造成在性能更加強(qiáng)大的新型人體。因此，凡是在原身體裝有假肢、假牙、植入心臟起搏器或者某種芯片等等類(lèi)似的人，也就可稱(chēng)之為是“賽博格”。

2005年，日本NHK電視臺(tái)拍攝了一部紀(jì)錄片《 前線報(bào)告：改變?nèi)祟?lèi)的賽博格技術(shù)》來(lái)介紹了當(dāng)今世界賽博格技術(shù)的發(fā)展情況，例如：一名美國(guó)田納西州的男子，在觸電事故失去了上肢，但他被安裝上一種靈活度較高的機(jī)械義肢，這使得他又回到了正常人的生活；一個(gè)完全失明的加拿大男子運(yùn)用攝影機(jī)拍攝的映像，通過(guò)腦機(jī)接口的方式直接傳輸至腦，重見(jiàn)光明。這個(gè)紀(jì)錄片展示了“賽博格”技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用。 新的科技成果則是美國(guó)軍方“外骨骼裝甲”研究項(xiàng)目。美國(guó)陸軍研究發(fā)展部、國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署自2000年就發(fā)布了各種不同資金投入計(jì)劃，用于人類(lèi)外骨骼軍事研究項(xiàng)目，期望研制出適合未來(lái)單兵作戰(zhàn)的動(dòng)力外骨骼裝甲。

現(xiàn)實(shí)生活中裝備有肌肉電信號(hào)控制的原型仿生手臂的一名“半機(jī)械人”

圖 1-1

狹義的腦機(jī)接口僅僅指人或動(dòng)物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與外部設(shè)備間建立的直接連接通路。目前 主流的實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的方式是通過(guò)運(yùn)動(dòng)想象的方式對(duì)外接的大腦進(jìn)行控制，借此我查閱了一些文件并且上了China NueroSchool，在擁有一定量的知識(shí)儲(chǔ)備后我購(gòu)買(mǎi)了 OpenBCI的元件開(kāi)始進(jìn)行研究。我想的是通過(guò)在腦海中構(gòu)造白底黑字的字母圖片來(lái)采集其腦電信號(hào)與字母相對(duì)應(yīng)?？墒俏液雎粤嗽y(cè)量的局限性，即八通道的極線無(wú)法捕捉到這樣細(xì)微的腦電信號(hào)的變化。這就到達(dá)了中期研究，既然狹義的腦機(jī)接口行不通，那么就試試廣義的腦機(jī)接口——肌電控制接口。當(dāng)我通過(guò)控制自己的肌肉而非大腦使顯示屏上的時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行規(guī)則的跳動(dòng)時(shí)，我看到的便是長(zhǎng)和短的信號(hào)組合，二戰(zhàn)后就不再使用的摩爾斯電碼此時(shí)自然而然地出現(xiàn)在我的腦海中。將這些跳動(dòng)的肌電信號(hào)與摩爾斯電碼的短和橫一一對(duì)應(yīng)就是解決語(yǔ)言障礙問(wèn)題的通式啊。在恍然大悟到這個(gè)信息后，我急忙上網(wǎng)進(jìn)行查新，瀏覽中國(guó)知網(wǎng)等后發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)并沒(méi)有類(lèi)似的研究。在外網(wǎng)看到了一個(gè)類(lèi)似的設(shè)想，但是其一，該設(shè)想缺少必要的細(xì)節(jié)而且并非用于打字。其二，該設(shè)想是單端口采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致功能數(shù)量受限，且系統(tǒng)響應(yīng)速度慢。其三，這個(gè)設(shè)計(jì)只能用于下巴的肌電信號(hào)采集，而非任何肌肉的肌電信號(hào)采集。此外，該系統(tǒng)沒(méi)有人性化的校準(zhǔn)功能，需要大量訓(xùn)練才能適應(yīng)該系統(tǒng)，不人性化，他是機(jī)器適應(yīng)人。于是，我認(rèn)為我的想法具有開(kāi)拓性，創(chuàng)新性，實(shí)用性和普適性，并與北理工研究肌電信號(hào)的湯戎昱教授的進(jìn)行溝通并確定開(kāi)始了我的研究課題。

2017年9月份，我們已經(jīng)做到了sEMG和英文字母間的轉(zhuǎn)換。這個(gè)時(shí)候我們開(kāi)始打算升級(jí)系統(tǒng)，既然國(guó)際通用語(yǔ)言英文的系統(tǒng)已經(jīng)做出來(lái)了，就應(yīng)該開(kāi)始做中文的了。這就到了后期研究，我們開(kāi)始加入拼音聲調(diào)的選項(xiàng)和音頻，使該產(chǎn)品變得更加人性化。

經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)和探究，我運(yùn)用OpenBCI的開(kāi)發(fā)版來(lái)設(shè)計(jì)和制作我的基于sEMG特征識(shí)別的生機(jī)電一體化打字系統(tǒng)。希望這樣能幫助更多的像我姨奶奶一樣的語(yǔ)言障礙者融合到社會(huì)的正常交流之中。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 研究目的及流程

2.2 研究意義

結(jié)合類(lèi)似患漸凍癥的語(yǔ)言障礙者的表達(dá)需要，設(shè)計(jì)構(gòu)造了基于sEMG特征識(shí)別的生機(jī)電一體化打字系統(tǒng)，幫助他們清晰地表達(dá)出內(nèi)心的觀點(diǎn)，找到一種解決除由于全身肌肉萎縮外造成的語(yǔ)言障礙問(wèn)題的通式，完善對(duì)于弱勢(shì)群體的關(guān)愛(ài)措施，堅(jiān)持不丟下一個(gè)患者的思想，推動(dòng)賽博格學(xué)科的發(fā)展，加速人們進(jìn)入后人類(lèi)時(shí)代的步伐。

2.3 技術(shù)方案

2.3.1 平臺(tái)搭建

本系統(tǒng)基于x64平臺(tái)搭建。硬件方面采用了內(nèi)置 i3-3217U的64 位筆記本電腦進(jìn)行調(diào)試。

采集數(shù)據(jù)的單片機(jī)采用OpenBCI公司的Ultracortex Mark III自帶單片機(jī)CYTON BOARD。該設(shè)備還配有5根的鍍金碗型電極，配合和與電腦相連接的USB Dongle用來(lái)與單片機(jī)進(jìn)行sEMG的采集和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸。其適用范圍在空曠地段0到10米之間。圖2-2展示了CYTON

BOARD的各項(xiàng)參數(shù)。

圖 2- 2 CYTON BOARD 各項(xiàng)參數(shù)

在開(kāi)發(fā)工具方面，使用了Processing 2.2.1進(jìn)行算法編寫(xiě)和測(cè)試。Processing是一種具有革命前瞻性的新興計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它的概念是在電子藝術(shù)的環(huán)境下介紹程序語(yǔ)言，并將電子藝術(shù)的概念介紹給程序設(shè)計(jì)師。它是 Java 語(yǔ)言的延伸，并支持許多現(xiàn)有的 Java 語(yǔ)言架構(gòu)。不過(guò)其在語(yǔ)法上簡(jiǎn)易許多，并具有許多貼心及人性化的設(shè)計(jì)。Processing 可以在 Windows、MAC OS X、MAC OS 9 、Linux等操作系統(tǒng)上使用。本系統(tǒng)主要應(yīng)用Processing來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，設(shè)置閾值和跟蹤分類(lèi)等一系列操作。

2.3.2 系統(tǒng)框架概述

圖 2- 3 系統(tǒng)框架示意圖

如圖2-3所示，整體打字系統(tǒng)由個(gè)人電腦，顯示界面，揚(yáng)聲器三部分組成。其中由單片機(jī)和USB連接用戶(hù)和個(gè)人計(jì)算機(jī)。單片機(jī)把用戶(hù)的sEMG輸入進(jìn)計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)進(jìn)行sEMG的分析并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，下一步將處理好的數(shù)據(jù)反饋給操作系統(tǒng)和揚(yáng)聲器。

2.3.4 算法流程示意圖

2.4 算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.4.1 輸入數(shù)據(jù)

sEMG數(shù)據(jù)的采集是靠三個(gè)負(fù)責(zé)采集sEMG的端口完成的。n2p端口負(fù)責(zé)采集表示英文字符的二階摩爾斯電碼（基于參照ASCII標(biāo)準(zhǔn)的摩爾斯電碼的改進(jìn)）的信號(hào)，n4p端口負(fù)責(zé)空格

（.）和刪除(—)的數(shù)據(jù)采集，n6p端口采集確定功能的數(shù)據(jù)；n4p和n6p端口同時(shí)采集為回車(chē)鍵功能的數(shù)據(jù)。中文系統(tǒng)同理。使用者可以中途暫停數(shù)據(jù)的采集，并隨時(shí)重新開(kāi)始，繼續(xù)采集。另外我們對(duì)于實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集選取頻段為44hz的sEMG的振幅，因?yàn)檫@一頻段 具有識(shí)別度。

2.4.2 處理數(shù)據(jù)

2.4.2.1 校準(zhǔn)系統(tǒng)

校準(zhǔn)系統(tǒng)采用的是學(xué)習(xí)式校準(zhǔn)，程序會(huì)指導(dǎo)使用者進(jìn)行一系列動(dòng)作，并記錄采集的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整閾值數(shù)值，判斷數(shù)值是否合理，當(dāng)數(shù)值滿(mǎn)足一定情況，則會(huì)保存該數(shù)值為使用者的閾值，以此降低錯(cuò)誤率，適應(yīng)不同的使用者。

其中，校準(zhǔn)部分的迭代算法是先定義一個(gè)變量uv，之后根據(jù)使用者校準(zhǔn) “.” 的輸入時(shí)的數(shù)據(jù)的 高值對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行賦值，之后對(duì)該變量進(jìn)行二分或增加0.1，直到uv的值符合要求。之后，測(cè)試uv在使用者校準(zhǔn)“-”的輸入時(shí)的數(shù)據(jù)中是否滿(mǎn)足要求，若滿(mǎn)足，將uv作為該使用者閾值；若不滿(mǎn)足，則對(duì)uv繼續(xù)進(jìn)行二分或增加0.1，直到滿(mǎn)足要求。

如圖2-5，該時(shí)間序列信號(hào)的橫軸是時(shí)間，縱軸是振幅。黃色線為根據(jù)使用者校準(zhǔn) “.” 的輸入時(shí)的數(shù)據(jù)得到的 uv 值，當(dāng)這個(gè)值在使用者校準(zhǔn)“-”的輸入時(shí)的數(shù)據(jù)中不滿(mǎn)足要求時(shí)，會(huì)進(jìn)行二次迭代，終得到了滿(mǎn)足要求的值，即紅色線，閾值。

圖 2 - 5 迭代法說(shuō)明圖

部分代碼如下：

2.4.2.2 sEMG與二階摩爾斯電碼的變換程序會(huì)接收n2p端口輸入的sEMG數(shù)據(jù)，當(dāng)使用者激活n6p端口的確定時(shí)，程序會(huì)找到與使用者sEMG對(duì)應(yīng)的二階摩爾斯電碼值并在窗口文本框中輸出該二階摩爾斯電碼；當(dāng)使用者激活n4p端口或同時(shí)激活n4p和n6p端口，并（再次）激活n6p端口的確定時(shí)，程序會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

部分代碼如下：

我們把該變換命名為ZR變換。

2.4.2.3 二階摩爾斯電碼與字符的變換

表1：二階摩爾斯電碼

*回車(chē)：N4P先按，N6P后按，同時(shí)N4P不松。然后便可先松N4P，再松N6P觸發(fā)回車(chē)功能。

部分代碼如下：

2.4.3 輸出數(shù)據(jù)

2.4.3.1 英文的顯示

使用者輸入的二階摩爾斯電碼數(shù)據(jù)會(huì)在一個(gè)較小的文本框中顯示；使用者輸入的文字會(huì)在較大的文本框中輸出，如圖2-6所示。

圖 2 - 6 操作界面

2.4.3.2 中文的發(fā)聲

同上。此外，每次使用者輸入句號(hào)時(shí)，程序會(huì)將句子中每個(gè)字的發(fā)音按順序播放出來(lái)，

即“讀”句子。

2.4.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

使用者在輸入過(guò)程中或輸入完畢時(shí)都可以將輸入的文本內(nèi)容保存為本地txt文件，以供

隨時(shí)查閱。

部分代碼如下：

3 測(cè)試與分析

本研究選用了x64平臺(tái)進(jìn)行性能測(cè)試和誤差分析。具體采用了Intel CoreTM i3-3217U 處理器（主頻 3.4GHz)，擁有4GB內(nèi)存，運(yùn)行Windows 8操作系統(tǒng)。sEMG采集系統(tǒng)運(yùn)用

OpenBCI CYTONBOARD。

3.1 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率

在誤差分析中，在同樣的測(cè)試環(huán)境下收到了來(lái)自5名測(cè)試對(duì)象的5組樣本數(shù)據(jù)。

此處的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率是指在所有的從自由的肌肉運(yùn)動(dòng)采集到的數(shù)據(jù)中，采集到的有效 sEMG 所占的百分比。我們使測(cè)試者通過(guò)運(yùn)動(dòng)自己的肌肉來(lái)打出 N 的二階摩爾斯電碼表示形式，這樣我們就得到每個(gè)人的30組時(shí)間序列信號(hào)。OpenBCI的源程序使我們能夠?qū)r(shí)域圖通過(guò)短時(shí)傅里葉變換來(lái)變換為頻域圖。在頻域圖中，我們能清晰地看到sEMG在各頻段的振幅。

圖3-1 某名受試者的一組sEMG的時(shí)間序列信號(hào)（即時(shí)域圖）

圖3-2 時(shí)間序列信號(hào)經(jīng)過(guò)短時(shí)傅里葉變換的頻域圖

我們?cè)诖翱谥袑?duì)于采集到的sEMG進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。將各類(lèi)采集準(zhǔn)確率匯總到表2。

表2：5組樣本的數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確率

可以看出，“短”與“長(zhǎng)”的準(zhǔn)確率是十分可觀的，這說(shuō)明單電碼的輸入是較為準(zhǔn)確的，這從側(cè)面驗(yàn)證了迭代算法尋找合適閾值的準(zhǔn)確性，但仍然需要優(yōu)化使其準(zhǔn)確率提升。但綜合采集率僅僅達(dá)到94.8%，盡管該準(zhǔn)確率也較為可觀，但比起其他的采集準(zhǔn)確率來(lái)講是稍差一些的。經(jīng)過(guò)綜合考慮，我們認(rèn)為該采集率較低的原因主要一是采集設(shè)備的不夠精密---在采集期間，數(shù)據(jù)的更新仍然存在一些延遲，這導(dǎo)致較快的單電碼間的變換會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。另外一個(gè)原因是某些人體表面肌肉的肌電信號(hào)不夠穩(wěn)定。解決方法是尋找更加精密的采集設(shè)備以及規(guī)

定一個(gè)更加合理的運(yùn)動(dòng)周期。ZR變換的準(zhǔn)確率高達(dá)100%，也就是說(shuō)算法是十分準(zhǔn)確可靠的。

3.2 系統(tǒng)響應(yīng)速度

對(duì)于一套交互系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的速度的快慢直接影響著用戶(hù)體驗(yàn)的好壞。通常情況下程序輸出的速度越快，用戶(hù)體驗(yàn)就越理想。

本程序的初始化速度為大約20秒，校準(zhǔn)過(guò)程大約60秒，輸入單個(gè)二階摩爾斯電碼平均用時(shí)4秒（包括“長(zhǎng)”和“短”的輸入），輸入字符過(guò)程中平均單個(gè)字符用時(shí)20秒。打字前的程序預(yù)備時(shí)間總計(jì)約80秒。

如此看來(lái)，該程序的初始化速度比起其他軟件的初始化速度來(lái)講是適中的。平均來(lái)講，輸入字符的速度也較為適中，但是一個(gè)嫻熟的系統(tǒng)使用者可以達(dá)到更快的速度。

4 結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)與展望

本項(xiàng)目主要研究了基于sEMG特征識(shí)別的生機(jī)電一體化打字系統(tǒng)，并搭建了初始平臺(tái)來(lái)為該系統(tǒng)日后的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究和評(píng)估，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

(1)初步形成了sEMG與二階摩爾斯電碼間的變換，我們稱(chēng)之為ZR變換。

(2)該系統(tǒng)理論上能夠基于人體皮膚表面任何一塊肌肉進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析，具有普適性的采集和分析能力。

（3）整體系統(tǒng)為未來(lái)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)腦機(jī)接口相關(guān)軟件提供了一種通法即ZR變換，留下了廣闊的拓展空間。

（4）消除了由于簡(jiǎn)單的肢體擺動(dòng)而錯(cuò)誤發(fā)出信息的可能性，因?yàn)楸狙芯恳蟮募∪膺\(yùn)動(dòng)是一種更加刻意的主觀選擇。

相比已有的類(lèi)似研究，本系統(tǒng)具有如下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）找到一種新型的解決類(lèi)似漸凍癥患者的語(yǔ)言障礙問(wèn)題的方法，并同樣適用于其他類(lèi)型語(yǔ)言障礙者。

（2）發(fā)明一種摩爾斯電碼在戰(zhàn)后的新的用法并且豐富改善了摩爾斯電碼的表達(dá)方式。

（3）國(guó)內(nèi)第一款類(lèi)似的程序，并且首次加入了聲調(diào)的功能來(lái)支持中文的輸入輸出。

（4）便攜性好，硬件僅使用OpenBCI公司的單片機(jī)，而與主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸全部用藍(lán)牙成。

（5）更容易上手，該系統(tǒng)能夠使用戶(hù)更易理解這種高端的技術(shù)并且甚至可以根據(jù)自己的喜好 diy自己希望完成的指令。

目前，基于sEMG特征識(shí)別的生機(jī)電一體化打字系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了ZR變換，能采集分析任何一塊肌肉的電信號(hào)，為未來(lái)腦機(jī)接口的軟件留下了廣泛的空間但仍然存在一些缺陷。其一是算法方面仍然可以?xún)?yōu)化來(lái)使整個(gè)程序的延遲降低。其二是還未完全將電腦上的開(kāi)放環(huán)境及程序轉(zhuǎn)移至更加輕小的手機(jī)app上。未來(lái)的工作將主要集中于對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)境及程序優(yōu)化算法和友好化操作系統(tǒng)和界面并且向手機(jī)平臺(tái)發(fā)展。另外我們還考慮到既然語(yǔ)言障礙者可以向外輸出希望傳達(dá)的信息，那么同樣可以使聽(tīng)力障礙者對(duì)內(nèi)接受外界所傳達(dá)的信息。于是接下來(lái)的另一個(gè)支線任務(wù)就是逆向構(gòu)造一個(gè)接收系統(tǒng)來(lái)解決聽(tīng)力障礙者與普通人的溝通問(wèn)題，即一個(gè)聽(tīng)聲系統(tǒng)。

5 應(yīng)用

這種通過(guò)該打字系統(tǒng)不僅可以解決漸凍癥類(lèi)患者的說(shuō)話問(wèn)題，以及其他語(yǔ)言障礙者與普通人交談效率極低的尷尬問(wèn)題以及也同樣可以作為肌肉指令而具有更廣闊的市場(chǎng)空間和應(yīng)用范圍。然而市面上同類(lèi)產(chǎn)品少之又少，或是因?yàn)楸旧硭淼哪X機(jī)接口技術(shù)太過(guò)高端不易理解，或是因?yàn)轭?lèi)似產(chǎn)品的系統(tǒng)成本較高，或是因?yàn)檎莆詹倏仡?lèi)似產(chǎn)品需要用戶(hù)完成一定的練習(xí)，該類(lèi)腦機(jī)接口產(chǎn)品并未真正進(jìn)入人們的視野。而本項(xiàng)目所研究的系統(tǒng)特點(diǎn)就在于外行人易上手（容易理解和使用），系統(tǒng)成本低，可以作為開(kāi)源程序來(lái)使用戶(hù)自行DIY，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了人體利用自身的肌肉運(yùn)動(dòng)對(duì)外部機(jī)械的直接控制。因此，該系統(tǒng)具有很高的普適性，可以適用于多種情況。以下對(duì)幾處可能的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行具體介紹。

場(chǎng)景1: 殘障人士的打字系統(tǒng)

對(duì)于非語(yǔ)言中樞受損導(dǎo)致的語(yǔ)言障礙者，他們將學(xué)習(xí)更為簡(jiǎn)單的二階摩爾斯電碼來(lái)代替學(xué)習(xí)手語(yǔ)。佩戴該設(shè)備后，一個(gè)能夠嫻熟使用二階摩爾斯電碼的該類(lèi)障礙者可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)自己的肌肉來(lái)使隨身攜帶的揚(yáng)聲器發(fā)出普通人說(shuō)話時(shí)表達(dá)的語(yǔ)言。這使得溝通時(shí)更加高效。例如一名類(lèi)似霍金一樣的漸凍癥患者能夠利用該系統(tǒng)清晰地表達(dá)出自己的觀點(diǎn)。對(duì)于失去四肢的殘疾人士，比起使用活動(dòng)十分不靈活的義肢，該系統(tǒng)可以幫助這類(lèi)殘疾人找到一種更靈活的，利用肌肉運(yùn)動(dòng)完成既定目標(biāo)的方式。例如一名失去上肢的殘疾人本是一位網(wǎng)絡(luò)小說(shuō)家，此時(shí)他仍然需要繼續(xù)進(jìn)行創(chuàng)作，在短期內(nèi)他便可以使用這套打字系統(tǒng)來(lái)繼續(xù)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)作。

場(chǎng)景2: 康復(fù)訓(xùn)練

對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)疾病，尤其是肌肉疾病來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)可以是一個(gè)十分有效的康復(fù)工具。醫(yī)師可以通過(guò)鼓勵(lì)患者在顯示屏上打印不同單詞來(lái)訓(xùn)練并且監(jiān)控肌肉的靈活性。對(duì)于一些手術(shù)康復(fù)或肌肉拉傷，醫(yī)師也同樣可以利用該方法對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

場(chǎng)景3: 物聯(lián)網(wǎng)的指令系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代正在飛速發(fā)展，但是通過(guò)人類(lèi)的直接活動(dòng)控制物物相連的機(jī)制還未進(jìn)入我們的視野。然而通過(guò)該打字系統(tǒng)，用戶(hù)可以使不同的肌肉運(yùn)動(dòng)方式所對(duì)應(yīng)的二階摩爾斯電碼

對(duì)應(yīng)不同的指令，這是該打字系統(tǒng)思路的一個(gè)推廣。例如，一早上起來(lái)用戶(hù)想要喝一杯咖啡，這時(shí)他就可以去運(yùn)動(dòng)肌肉輸出字母A對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)接收到A的數(shù)據(jù)后，便會(huì)給予咖啡機(jī)指令。這樣就能通過(guò)直接的人體活動(dòng)隔空做一杯咖啡了。

6 致謝

感謝北京理工大學(xué)的湯戎昱教授在研究過(guò)程中對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo)，感謝北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)的遲蕊老師對(duì)我論文寫(xiě)作提供的幫助。感謝家長(zhǎng)對(duì)我的支持和鼓勵(lì)。感謝北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)和北京青少年后備人才計(jì)劃為我提供了研究的機(jī)會(huì)。

[1]《Java 從入門(mén)到精通（實(shí)例版）》，明日科技，清華大學(xué)出版社

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[3]范淵杰《基于sEMG與交互力等多源信號(hào)融合的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人及其臨床實(shí)驗(yàn)研究》

[4]王樂(lè)軍， 陸愛(ài)云， 龔銘新， 毋江波， 董菲， 張磊《sEMG指標(biāo)監(jiān)測(cè)快速點(diǎn)擊鼠標(biāo)致指伸肌疲勞的適用性評(píng)價(jià)研究》

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[16]https://baike.baidu.com/item/cyborg/4153498?fr=aladdin 百度百科

[17]http://www.15yan.com/story/7RA9y1tTzmM/ 子非魚(yú)

附件：研究過(guò)程照片