A wearable biosensing system with in-sensor adaptive machine learning for hand gesture recognition

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作者
Ali Moin,Andy Zhou,Abbas Rahimi,Alisha Menon,Simone Benatti,George Alexandrov,Senam Tamakloe,Jonathan Ting,Natasha A. D. Yamamoto,Yasser Khan,Fred Burghardt,Luca Benini,Ana Claudia Arias,Jan M. Rabaey
出处
期刊:Nature electronics [Springer Nature]
卷期号:4 (1): 54-63 被引量:423
标识
DOI:10.1038/s41928-020-00510-8
摘要

Wearable devices that monitor muscle activity based on surface electromyography could be of use in the development of hand gesture recognition applications. Such devices typically use machine-learning models, either locally or externally, for gesture classification. However, most devices with local processing cannot offer training and updating of the machine-learning model during use, resulting in suboptimal performance under practical conditions. Here we report a wearable surface electromyography biosensing system that is based on a screen-printed, conformal electrode array and has in-sensor adaptive learning capabilities. Our system implements a neuro-inspired hyperdimensional computing algorithm locally for real-time gesture classification, as well as model training and updating under variable conditions such as different arm positions and sensor replacement. The system can classify 13 hand gestures with 97.12% accuracy for two participants when training with a single trial per gesture. A high accuracy (92.87%) is preserved on expanding to 21 gestures, and accuracy is recovered by 9.5% by implementing model updates in response to varying conditions, without additional computation on an external device. A surface electromyography biosensing system that is based on a screen-printed, conformal electrode array and has in-sensor adaptive learning capabilities can classify human gestures in real time and with high accuracy.
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