近日，美國(guó)杜克大學(xué)和法國(guó)朗之萬(wàn)研究所的科研團(tuán)隊(duì)采用無(wú)線電波制造的圖案，能在室內(nèi)任意位置，檢測(cè)到一個(gè)人的存在并定位。這種基于超材料的新型運(yùn)動(dòng)傳感器足夠靈敏，甚至可以探測(cè)到一個(gè)人的呼吸。

背景

運(yùn)動(dòng)感應(yīng)燈，并不算什么新奇事物，不少人都曾體驗(yàn)過(guò)。在感應(yīng)到人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)自動(dòng)打開(kāi)；而沒(méi)有感應(yīng)到人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，又會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。雖然這樣可以有效地節(jié)省能源，但是為了讓運(yùn)動(dòng)感應(yīng)燈熄滅后又重新點(diǎn)亮，或許不少人都曾有過(guò)在房間內(nèi)“跳來(lái)跳去”的經(jīng)歷。

大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)燈都配備了紅外運(yùn)動(dòng)探測(cè)器。簡(jiǎn)單說(shuō)，紅外運(yùn)動(dòng)探測(cè)器是一種依靠紅外線檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。然而，這種設(shè)備卻存在一些缺陷。

美國(guó)杜克大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授David R. Smith 表示：“能源公司不喜歡紅外運(yùn)動(dòng)探測(cè)器，是因?yàn)樗鼈兇嬖谠S多問(wèn)題。首先，它們可覆蓋的空間有限，一個(gè)人只有在設(shè)備的視線范圍內(nèi)才能被檢測(cè)到。而且，幾乎每個(gè)人都會(huì)有這樣的體驗(yàn)，久坐不動(dòng)，燈就會(huì)熄滅。”

創(chuàng)新

然而，Smith 教授卻想到了一種新方法。他表示：“無(wú)線電波可以突破所有這些限制。” 在兩項(xiàng)新研究中，來(lái)自美國(guó)杜克大學(xué)（Duke University）和法國(guó)朗之萬(wàn)研究所（Institut Langevin）的科研團(tuán)隊(duì)采用無(wú)線電波制造的圖案，能在室內(nèi)任意位置，檢測(cè)到一個(gè)人的存在并定位。這種基于超材料的新型運(yùn)動(dòng)傳感器足夠靈敏，甚至可以探測(cè)到一個(gè)人的呼吸。

超材料的近距離照片。它可以操控?zé)o線電波的形狀，從而檢測(cè)室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)單元可以經(jīng)過(guò)單獨(dú)地調(diào)諧，以特殊的方式與無(wú)線電波交互。

（圖片來(lái)源：Timothy Sleasman）

近日，這些研究成果于發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告（Scientific Reports ）》和《物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters）》雜志。參與項(xiàng)目的法國(guó)科學(xué)家創(chuàng)辦了一個(gè)相關(guān)的創(chuàng)業(yè)公司，名為“Greenerwave”。

技術(shù)

在今年早些時(shí)候發(fā)表的初期論文中，研究人員就利用過(guò)無(wú)線電波在室內(nèi)四處反射和相互干涉制造出的圖案。室內(nèi)物體的最微小動(dòng)作，都會(huì)為這些獨(dú)特的圖案帶來(lái)變化，通過(guò)靈敏的天線就可以檢測(cè)到有物體進(jìn)入房間。隨著時(shí)間推移，對(duì)比這些圖案的變化，科學(xué)家們還可以檢測(cè)到周期性運(yùn)動(dòng)，例如風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)，甚至一個(gè)人的呼吸。

團(tuán)隊(duì)在最近的論文中展示，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一點(diǎn)訓(xùn)練，就可以提取必要的信息，定位空間中的物體或者人體。該演示系統(tǒng)通過(guò)放置在地板上23個(gè)不同位置的三角塊所散射的無(wú)線電波圖案來(lái)訓(xùn)練。這種校準(zhǔn)很充分，它不僅可以區(qū)分已經(jīng)學(xué)習(xí)到的23種情況，也可以區(qū)分三個(gè)相同三角塊在1771種可能配置中任意一種中的位置。

室內(nèi)定位研究的實(shí)驗(yàn)配置

（圖片來(lái)源：杜克大學(xué)）

這項(xiàng)技術(shù)利用了無(wú)線電波在封閉空間中的行為。它們?cè)谑覂?nèi)多個(gè)表面上持續(xù)反射的能力，創(chuàng)造出了復(fù)雜的干涉圖案。過(guò)去，這種復(fù)雜性一直是系統(tǒng)嘗試定位原始信號(hào)的障礙。然而，Smith 及其同事現(xiàn)在卻展示了，同樣的復(fù)雜性可用于檢測(cè)室內(nèi)物體的運(yùn)動(dòng)并定位物體。

法國(guó)巴黎朗之萬(wàn)研究所Smith 實(shí)驗(yàn)室的訪問(wèn)研究員Philipp del Hougne 表示：“無(wú)線電波在室內(nèi)四處反射和相互干涉的方式的復(fù)雜性，創(chuàng)造出了一種指紋。物體在室內(nèi)的每一次運(yùn)動(dòng)，即使是一點(diǎn)點(diǎn)，指紋就會(huì)發(fā)生變化。”

挑戰(zhàn)在于：找到最有效的途徑從一開(kāi)始就與那個(gè)指紋聯(lián)系起來(lái)。del Hougne 解釋道，它需要許多信息。雖然許多傳統(tǒng)的方法都能實(shí)現(xiàn)，但是它們都有缺點(diǎn)。

科學(xué)家們?cè)谑覂?nèi)許多地方安裝了大量的天線來(lái)進(jìn)行多重測(cè)量，但是這樣不但高成本，還不方便。另外一個(gè)方法，就是測(cè)量許多不同的頻率，因?yàn)槊看问覂?nèi)的反射都會(huì)有一種獨(dú)特的方式。然而，這種方法很可能會(huì)與房間內(nèi)其他正在工作的無(wú)線電信號(hào)，例如Wi-Fi和藍(lán)牙，相互干擾。

美國(guó)杜克大學(xué)和法國(guó)朗之萬(wàn)研究所的科研團(tuán)隊(duì)的方案，采用超材料動(dòng)態(tài)控制無(wú)線電波的形狀。超材料一般是指通過(guò)人工設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具有天然材料無(wú)法具備的超常物理特性的復(fù)合材料。例如，超材料可以操控光波、聲波、電磁波等，實(shí)現(xiàn)普通材料所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。一個(gè)平面的超材料天線可以任意地配置波，并接連不斷地創(chuàng)造出不同的波前。

Smith 表示：“不管那些特殊的波形是怎樣的，只要它們是不同的，檢測(cè)器就能獲取到足夠多的不同圖案，判斷有沒(méi)有物體在那里以及它的位置。”

（圖片來(lái)源：參考資料【3】）

論文作者之一、Smith 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Mohammadreza Imani 表示：“其他技術(shù)也可以創(chuàng)造出類似功能的波前，但是它們的成本和能耗都非常高。研究顯示，當(dāng)有人離開(kāi)或者返回時(shí)，調(diào)整房間溫度可以降低功耗達(dá)30%。但是，如果你正嘗試耗費(fèi)更多的能量改變天線模式，那么將會(huì)無(wú)濟(jì)于事。”

價(jià)值

對(duì)于新型運(yùn)動(dòng)感知技術(shù)的價(jià)值來(lái)說(shuō)，節(jié)能只是冰山一角。計(jì)算房間中的人數(shù)，區(qū)分個(gè)體的位置與檢測(cè)呼吸模式，有望帶來(lái)安全、保健和游戲等眾多潛在應(yīng)用，并更大程度地豐富智能家居產(chǎn)品。

參考資料

【1】https://pratt.duke.edu/about/news/metamaterial-colocation
【2】Philipp del Hougne, Mohammadreza F. Imani, Timothy Sleasman, Jonah N. Gollub, Mathias Fink, Geoffroy Lerosey, and David R. Smith, “Dynamic Metasurface Aperture as Smart Around-the-Corner Motion Detector,”Scientific Reports, 2018. DOI: 10.1038/s41598-018-24681-9
【3】Philipp del Hougne, Mohammadreza F. Imani, Mathias Fink, David R. Smith, and Geoffroy Lerosey, “Precise localization of multiple noncooperative objects in a disordered cavity by wave front shaping.”Phys. Rev. Lett., 2018. DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.063901