利用跳動的無線電波監測房間中微小的運動

這種異形材料可以讓無線電波實現房間內的運動的監測。每個單元可以單獨調諧以特定的方式與無線電波相互作用。

對於那些曾經像玩偶般在房間里跳來跳去，想讓動作感應燈重新打開的人來說，新技術或許是一種解脫，這是因為一個新的基於超材料的運動感測器足夠靈敏地監測到一個人的呼吸。

在一項新的研究中，來自杜克大學和法國朗之萬研究所的研究人員已經表明，無線電波所形成的模式可以檢測出人在室內的任何地方的存在和位置。

這些發現最近發表在《科學報告Scientific Reports》和《物理評論快報Physical Review Letters》雜誌上。

這種新的運動感測技術可以為節能、安全、醫療和遊戲帶來新的智能家居設備。

「能源公司不喜歡紅外運動探測器，因為它們有很多問題，」杜克大學電氣與計算機工程系的教授David R. Smith說。「他們可以覆蓋的空間是有限的，一個人必須在他們的視線內才能被發現，而且可能每個人都有這樣經驗，燈會熄滅，因為他們已經坐了太久。無線電波可以繞過所有這些限制。」

在今年早些時候發表的論文中，研究人員利用了無線電波在房間里來回移動並干擾自身的模式。這些獨特的模式隨著房間物體的輕微擾動而變化，允許敏感的天線探測到什麼東西進入或進入房間。通過比較這些模式是如何隨時間變化的，它們也可以用來檢測像風扇葉片轉動甚至是人呼吸這樣的周期性運動。

在最新的論文中，研究小組表明，通過一點訓練，系統還可以提取在空間中定位物體或人所需的信息。演示系統被教導的無線電波的模式分散在一個三角形的塊放置在23個不同的位置在地板上。該校準不僅足以區分所學的23個場景，而且還可以區分放置在1771種可能配置中的任何一種中的三個相同塊的位置。

該技術通過利用無線電波在封閉房間中的行為來工作。它們連續反射多個表面的能力在整個房間中產生複雜的干涉圖案。在過去，這種複雜性一直是系統試圖定位信號起源的障礙。但Smith和他的同事們已經表明，同樣的複雜性可以被用來檢測運動和定位在一個房間內的物體。

上圖所示為研究人員的實驗設置。後壁上的超材料天線發射一個單一的無線電波頻率，它在被安裝在右手壁上的天線檢測之前在空間周圍反彈。左手壁上的超材料表面不斷重塑無線電波，使其形成不同的圖案。通過首先訓練系統以了解這些模式對於單個三角形塊的23個可能位置中的每一個的樣子，然後可以區分放置在可能的1771種配置中的任何一種中的三個相同塊的位置。圖片來源：杜克大學

「無線電波在房間里來回跳動並干擾自身的複雜性產生了一種圖紋，」法國巴黎蘭格文研究所Smith實驗室的研究員Philipp del Hougne解釋說。「每次一個房間里的物體移動，即使是一點點，圖紋也會改變。」

挑戰在於找到最有效的方法來印圖紋。del Hougne解釋說，它需要大量的信息，有很多傳統的方法可以實現，但是它們都有缺點。

大量的天線可以安裝在房間周圍的許多地方進行多次測量，但這將是昂貴和不便的。另一種策略是測量許多不同的頻率，因為每一個都以獨特的方式圍繞著房間跳躍。然而，這種方法很可能會對其他無線電波信號產生干擾，比如Wi-Fi和藍牙在房間內運行。

研究者的解決方案是使用超材料人工材料來動態控制波的形狀，這些人造材料通過其結構的特性來操縱光和聲波之類的波。平板超材料天線可以將波浪形成任意的結構，並在快速連續的過程中產生許多不同的波前。

Smith說：「這些特定的波的形狀並不重要。只要它們是多樣的，探測器就會拾取足夠多的不同模式來確定是否存在某物和它在哪裡。」

「還有其他技術可以達到類似的波前整形能力，但它們在成本和能源使用方面都更加昂貴，」Smith實驗室的博士後研究員Mohammadreza Imani也說道。「研究表明，當人們離開和返回時調節房間溫度的能力可以減少大約30%的電力消耗。但是如果你試圖通過消耗更多的能量來改變天線模式，那麼你就沒辦法了。」

節約能源可能只是冰山一角。在房間里計算人數、區分體位和監測呼吸模式的能力在安全、醫療和遊戲中也有潛在的應用。

法國科學家在這個項目上創建了一個相關的創業公司GReNeWave.

Smith說：「雖然我們仍在能源角度繼續研究，但我們也會看到一些其他的研究方向。」

來源：https://phys.org/news/2018-08-ricocheting-radio-tiniest-movements-room.html

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