【By DanielJin】E-motion:Arduino+脑波扫描仪制作的互动装置

各位朋友大家好，忙完了前一段的竞赛，小黄人君又回来啦！这次小黄人君为大家分享的是一个国外比较火热的课题：HRI，Human-Robot-Interaction，俗称的人机互动。




说起人机互动，大家还记得2015年招生时UCLA主页Suprastudio项目的主页吗？正中放了一个大大的视频，截屏内容是Greg Lynn和一个巨大的机械臂。HRI相关内容是近几年来在国外非常火热的话题，据我所知包括哈佛，MIT，宾大，UCLA，巴雷特等许多世界顶级高校都在进行研究——并不是说这些学校的机械或工业设计系，而是建筑学（本科及硕士）都开设了相关的课题。那么HRI为什么如此火热呢？先请大家看一个5秒小视频，感谢颜值担当Xiaoran同学出镜：



小黄人君认为HRI带来的是一种可能性。我们在本科学习建筑尺度时常常配图为人四肢活动时候的空间范围，那么试想，人活动空间的范围是可变的，作为建筑物这个“空间限制”因素为什么一定要是死的呢？于是国外这些思想前卫的学校就决定开设系列课程来讨论动态空间的问题。HRI方面的课程有两类，一类是研究人机互动的，这个机指的是机械，比如机械臂、无人机等等；另一类是研究另一类是研究人和空间互动的，比如之前小黄人君看到过一个案例，这个墙上的不同凹凸装饰部分可以伸出来做楼梯使用，平时则收进墙内节省空间。最近许多留学生申请研究生时也会选择做一些互动装置，比如“会摇曳的墙”等。

今天我们来分享的案例是由我，以及我的两位韩国队友Dawoon Jung和Han Kwon共同设计的《E-motion》，我负责所有的软件，程序，脑波扫描及Arduino部分...两位韩国小哥负责装置制作。指导老师为Simon Kim。


E-motion的设计意图是，我们希望给人们一种全新的方式去体会别人的感受（Emotion）。我们通过脑波扫描仪将人体的脑电波扫描出来并转化为电信号（Electric），由于不同波段的脑电波对应着不同的情绪，从而让计算机根据脑电波分析出人体的情绪并向Arduino发送不同指令，控制终端Servo伺服器进行不同方式的运动（motion）。这个设计的灵感来源于我玩的《刺客信条》游戏中刺客们的袖箭——我的最初想法是做一个防御装置——如果当我认为自己受到了威胁，或者说我主观上并没有意识到自己已经处于危险中，然而我的潜意识意识到了这些危险，那么我的袖箭根据脑波扫描仪的指令也会自动出鞘。后来经过讨论，我们做了目前这个版本的E-motion，我们认为其更有实际价值。首先，它可以帮助语言障碍人士更好地表达自己的情绪，帮助心理医生的治疗。其次，它也可以为大家提供一种以运动为基础来体验别人感受的新型感受方式。







大家开始看的小视频，就是这个装置的原型系统具体运动起来的样子。










E-motion这个设计主要是由EEG（脑波扫描仪），Arduino两大硬件组成。其工作流程为：由EEG组成的硬件前端负责拾取大脑脑波信号；Grasshopper+Firefly+Arduino+BCI expressing软件组成的中端负责分析脑波类型，得出对应人体情绪状态，同时控制终端进行形变；由Arduino得到软件中端发出的信号，对Servo（伺服器）发出指令从而控制其旋转，使3D打印的Hoberman Ball模型和钓鱼线组成的尾端收缩。





不同的脑波代表着不同的情绪，比如Delta脑波代表深度睡眠，而高频Beta代表着警觉。然而很多时候，仅仅通过数字来体验一个人的惊恐，开心等情绪是不够直观的。因此在设计的初期阶段，我利用脑波扫描仪的数据做了一个小小的Grasshopper程序，它能够展现出佩戴者的实时情绪反应。


在这个几何试验中，刺的数量，圆的半径，颜色从绿到红分别代表着不同的脑波变化。当你集中注意力时，圆半径会变大；当你足够放松时几何体颜色更趋向于绿色；当你警觉时几何体会出现许多刺。下面这个视频就讲述了佩戴者的情绪变化和几何体变化的对比。请！注！意！由于一个人可以集中注意力，然而却是几乎不可能“装作”被吓到或感受到被威胁的，所以高频Beta波的值很难真正涨上去——就像佩戴者Han无法真正做到装作被威胁，谁都无法“控制”自己的脑电波。为了使实验更真实，我们开始拿剪刀架在了他的脖子上，然而效果甚微，他很清楚我们不会真的伤害他。于是…我们真的做了点能够引起本能的条件反射的危险行为。请大家一定不要模仿，不然你真的可能为科学献身。具体请看如下视频：


接下来就是将信号输入Arduino了。根据设定的不同，当我（佩戴者）的某一些情绪超过阈值，E-motion会立刻收缩，告诉接受者；或者在某一个范围内随着我的情绪波动而收缩。这一部分由于时间有限，我们只是用了钓鱼线连接了伺服器的转盘和Hoberman Ball这个中心传动装置，如最开始的小视频中大家所看到的简单演示一样。由于这是一门选修课，如果除去放假时间，这门课其实总共也就两个月共计10课时的长度，再去掉Kim教授为同学们讲解HRI背景知识的几节课，这门课可能只有6课时的时间了。大家只能在课下挤时间做这个装置。同学们从代码完全门外汉，到学会用Arduino制作简单的效果，仅仅有6周的时间，所以时间还是挺赶的。如果有更多的时间，我希望将来可以把它做成一个类似Pavillion的装置。设想一下，你的建筑学院门口放着一个可以被你脑波控制的Pavillion，多么赞的体验。





由于我们毕竟是建筑师，我们最后没有花更多的时间去控制它的移动（知识储备也实在不够让E-motion可以像芭蕾舞女一样以各种高难度的姿势来形变），所以我们对E-motion的表皮做了一些研究，希望它看起来更好看一些。这个设计整个学期都深受教授的喜爱。实际上自从我告诉他我花了近一千元从Amazon买了个脑波扫描仪回来，他就一直迫不及待地希望看到我们的成果了。建筑学真是一个高投入的专业。












今天的设计就到这里啦，这几天小黄人君会为大家再分享两个Grasshopper和Python案例。也欢迎大家关注小黄人君的微信公众号：




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感谢分享

long time no see~

学习了！赞！

这个东西好啊

厉害了我的大爷

膜拜，能系统讲讲从入门到出结果 真的无限感激。

grasshopper在实际项目中没多少应用吧

为科学献身，厉害了