無線電波與超材料相結合：能感知室內細微的人體運動！

近日，美國杜克大學和法國朗之萬研究所的科研團隊採用無線電波製造的圖案，能在室內任意位置，檢測到一個人的存在並定位。這種基於超材料的新型運動感測器足夠靈敏，甚至可以探測到一個人的呼吸。

背景

運動感應燈，並不算什麼新奇事物，不少人都曾體驗過。在感應到人體運動時，它會自動打開；而沒有感應到人體運動時，又會自動關閉。雖然這樣可以有效地節省能源，但是為了讓運動感應燈熄滅後又重新點亮，或許不少人都曾有過在房間內「跳來跳去」的經歷。

大多數的運動感應燈都配備了紅外運動探測器。簡單說，紅外運動探測器是一種依靠紅外線檢測人體運動的設備。然而，這種設備卻存在一些缺陷。

美國杜克大學電氣與計算機工程系教授 David R. Smith 表示：「能源公司不喜歡紅外運動探測器，是因為它們存在許多問題。首先，它們可覆蓋的空間有限，一個人只有在設備的視線範圍內才能被檢測到。而且，幾乎每個人都會有這樣的體驗，久坐不動，燈就會熄滅。」

創新

然而，Smith 教授卻想到了一種新方法。他表示：「無線電波可以突破所有這些限制。」 在兩項新研究中，來自美國杜克大學（Duke University）和法國朗之萬研究所（Institut Langevin）的科研團隊採用無線電波製造的圖案，能在室內任意位置，檢測到一個人的存在並定位。這種基於超材料的新型運動感測器足夠靈敏，甚至可以探測到一個人的呼吸。

超材料的近距離照片。它可以操控無線電波的形狀，從而檢測室內的運動。每個單元可以經過單獨地調諧，以特殊的方式與無線電波交互。

（圖片來源：Timothy Sleasman）

近日，這些研究成果於發表在《科學報告（Scientific Reports ）》和《物理評論快報（Physical Review Letters）》雜誌。參與項目的法國科學家創辦了一個相關的創業公司，名為「Greenerwave」。

技術

在今年早些時候發表的初期論文中，研究人員就利用過無線電波在室內四處反射和相互干涉製造出的圖案。室內物體的最微小動作，都會為這些獨特的圖案帶來變化，通過靈敏的天線就可以檢測到有物體進入房間。隨著時間推移，對比這些圖案的變化，科學家們還可以檢測到周期性運動，例如風扇葉片的旋轉，甚至一個人的呼吸。

團隊在最近的論文中展示，系統經過一點訓練，就可以提取必要的信息，定位空間中的物體或者人體。該演示系統通過放置在地板上23個不同位置的三角塊所散射的無線電波圖案來訓練。這種校準很充分，它不僅可以區分已經學習到的23種情況，也可以區分三個相同三角塊在1771種可能配置中任意一種中的位置。

室內定位研究的實驗配置

（圖片來源：杜克大學）

這項技術利用了無線電波在封閉空間中的行為。它們在室內多個表面上持續反射的能力，創造出了複雜的干涉圖案。過去，這種複雜性一直是系統嘗試定位原始信號的障礙。然而，Smith 及其同事現在卻展示了，同樣的複雜性可用於檢測室內物體的運動並定位物體。

法國巴黎朗之萬研究所 Smith 實驗室的訪問研究員 Philipp del Hougne 表示：「無線電波在室內四處反射和相互干涉的方式的複雜性，創造出了一種指紋。物體在室內的每一次運動，即使是一點點，指紋就會發生變化。」

挑戰在於：找到最有效的途徑從一開始就與那個指紋聯繫起來。del Hougne 解釋道，它需要許多信息。雖然許多傳統的方法都能實現，但是它們都有缺點。

科學家們在室內許多地方安裝了大量的天線來進行多重測量，但是這樣不但高成本，還不方便。另外一個方法，就是測量許多不同的頻率，因為每次室內的反射都會有一種獨特的方式。然而，這種方法很可能會與房間內其他正在工作的無線電信號，例如Wi-Fi和藍牙，相互干擾。

美國杜克大學和法國朗之萬研究所的科研團隊的方案，採用超材料動態控制無線電波的形狀。超材料一般是指通過人工設計結構實現，具有天然材料無法具備的超常物理特性的複合材料。例如，超材料可以操控光波、聲波、電磁波等，實現普通材料所無法實現的功能。一個平面的超材料天線可以任意地配置波，並接連不斷地創造出不同的波前。

Smith 表示：「不管那些特殊的波形是怎樣的，只要它們是不同的，檢測器就能獲取到足夠多的不同圖案，判斷有沒有物體在那裡以及它的位置。」

（圖片來源：參考資料【3】）

論文作者之一、Smith 實驗室的博士後研究員 Mohammadreza Imani 表示：「其他技術也可以創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，當有人離開或者返回時，調整房間溫度可以降低功耗達30%。但是，如果你正嘗試耗費更多的能量改變天線模式，那麼將會無濟於事。」

價值

對於新型運動感知技術的價值來說，節能只是冰山一角。計算房間中的人數，區分個體的位置與檢測呼吸模式，有望帶來安全、保健和遊戲等眾多潛在應用，並更大程度地豐富智能家居產品。

關鍵字

感知技術、無線電波、超材料

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

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