無線電設(shè)備可用于檢測(cè)人們所在位置，以及呼吸和心率

類似 Wi-Fi 的無線電設(shè)備可用于檢測(cè)人們所在位置，以及呼吸和心率

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當(dāng)我還是個(gè)小男孩的時(shí)候，我曾希望自己身上能有一些驚人的超能力，比如透視眼或讀心術(shù)。很多孩子都有這樣的夢(mèng)想，但我那想象力豐富的小腦袋卻無法想象，有一天我會(huì)把這些超能力變成現(xiàn)實(shí)，更無法想象我會(huì)向美國(guó)總統(tǒng)展示這些能力所帶來的可能性。不過，20年后，它確實(shí)發(fā)生了。 當(dāng)然，其中并沒有魔法或科幻情節(jié)，只有新的算法和巧妙的工程設(shè)計(jì)，使用無線技術(shù)感知附近發(fā)射器發(fā)出的無線電波的反射。我和麻省理工學(xué)院的同事們所采用的方法依賴的是便宜且易于安裝的設(shè)備，不比安裝無線路由器難多少。 這些成果如今在現(xiàn)實(shí)世界中得到了應(yīng)用，能夠幫助醫(yī)學(xué)研究人員和臨床醫(yī)生更好地評(píng)估那些會(huì)影響人們步態(tài)和活動(dòng)能力的病情發(fā)展?；谶@項(xiàng)技術(shù)的設(shè)備將很快投入市場(chǎng)。未來，它們可以用來看護(hù)家中的老年人，在他們跌倒時(shí)發(fā)出警報(bào)。與目前醫(yī)療警報(bào)系統(tǒng)的用戶不同，被看護(hù)人不必佩戴配有無線電設(shè)備的手鐲或吊墜。這項(xiàng)技術(shù)還可以用來監(jiān)測(cè)新生兒的呼吸和心跳，也不需要嬰兒嬌嫩的皮膚接觸傳感器。 你可能想知道這種基于無線電的傳感技術(shù)是如何工作的。如果是這樣，請(qǐng)繼續(xù)往下讀，我將在接下來的內(nèi)容里講述我們是如何提高系統(tǒng)靈敏度和復(fù)雜性的。━━━━一切始于2012年，也就是我成為麻省理工學(xué)院的研究生后不久。我和我的導(dǎo)師迪娜?卡塔比（Dina Katabi）正在研究一種讓W(xué)i-Fi網(wǎng)絡(luò)更快傳輸數(shù)據(jù)的方法。我們?cè)谝苿?dòng)機(jī)器人上安裝了Wi-Fi設(shè)備，讓機(jī)器人自己導(dǎo)航到房間內(nèi)數(shù)據(jù)吞吐量最高的地方。每隔一段時(shí)間，我們的吞吐量就會(huì)神秘地大幅下降。最終我們發(fā)現(xiàn)，有人在相鄰的走廊上走動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)我們房間的無線信號(hào)形成干擾。

我們?cè)缭擃A(yù)料到這一點(diǎn)。眾所周知，無線通信系統(tǒng)容易受到電磁噪聲和干擾的影響，工程師們一直在致力解決這個(gè)問題。親眼目睹這些影響讓我們對(duì)自己的研究有了完全不同的看法。我們想知道這種由行人引起的“噪聲”是否可以作為了解附近環(huán)境的新信息來源。我們能使用一個(gè)對(duì)著墻的Wi-Fi設(shè)備，在電腦屏幕上看到墻后的人是如何移動(dòng)的嗎？

我們認(rèn)為這應(yīng)該是可能的，畢竟墻壁不會(huì)阻擋無線信號(hào)。即使路由器在另一個(gè)房間，你也可以連接Wi-Fi。如果有人在墻的另一邊，你在這一邊發(fā)出的無線信號(hào)會(huì)反射到他（她）的身上。自然，當(dāng)信號(hào)穿過墻，反射回來，再穿過墻，它就會(huì)大幅減弱。但如果我們能以某種方式記錄下這些微小的反射，在某種意義上，我們就能透過墻看到東西了。 利用無線電波探測(cè)墻另一邊的情況以前也做過實(shí)驗(yàn)，不過使用的是復(fù)雜的雷達(dá)設(shè)備和昂貴的天線陣列，而我們想要使用的設(shè)備和你在家里創(chuàng)建的Wi-Fi局域網(wǎng)沒有太大差別。 開始將這個(gè)想法付諸實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了許多實(shí)際的復(fù)雜情況。首先是墻本身，它的反射強(qiáng)度是墻外反射強(qiáng)度的1萬到10萬倍。其次是無線信號(hào)不僅會(huì)在墻壁和人體上反射，還會(huì)在其他物體上反射，包括桌子、椅子、天花板和地板。我們必須想出一種方法來抵消所有其他的反射，只留下來自墻后面人的反射。 為此，我們最初使用了兩個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器。首先，我們從一個(gè)發(fā)射器發(fā)出一個(gè)信號(hào)，并測(cè)量回到接收器的反射。接收到的信號(hào)主要是來自墻上的一個(gè)大型反射。 第二個(gè)發(fā)射器也是如此。它接收到的信號(hào)也是來自墻壁的強(qiáng)烈反射，但是反射幅度以及發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)之間的延遲略有不同。 隨后我們調(diào)整了第一個(gè)發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)，使其反射抵消第二個(gè)發(fā)射器產(chǎn)生的反射。這樣做之后，接收器就不會(huì)記錄墻上強(qiáng)大的反射。只有那些沒有被抵消的反射（比如來自從墻后移動(dòng)的人的反射）才會(huì)被記錄下來。這樣，我們就可以在不讓接收器承受過多墻壁反射的情況下，增強(qiáng)兩個(gè)發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)。事實(shí)上，我們現(xiàn)在有一個(gè)系統(tǒng)可以抵消所有靜止物體的反射。 接下來，當(dāng)一個(gè)人在相鄰的房間里走動(dòng)時(shí)，我們會(huì)集中精力檢測(cè)他（她）。為此，我們使用了逆合成孔徑雷達(dá)技術(shù)，這種技術(shù)有時(shí)用于海上監(jiān)視和雷達(dá)天文學(xué)。通過我們的簡(jiǎn)單設(shè)備，這個(gè)方法能夠很好地探測(cè)出墻后是否有人移動(dòng)，甚至可以測(cè)量其移動(dòng)方向，但它沒有顯示此人的位置。 隨著研究的推進(jìn)，研究生扎卡里?卡貝拉（Zachary Kabelac）和羅伯特?米勒（Robert Miller）教授也加入了我們的團(tuán)隊(duì)。我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了修改，使其包含更多的天線，操作起來不像Wi-Fi路由器，更像是傳統(tǒng)的雷達(dá)。 人們通常認(rèn)為，雷達(dá)設(shè)備會(huì)發(fā)出簡(jiǎn)短的無線電脈沖，然后測(cè)量反射回來的延遲。這在理論上是可行的，但技術(shù)上卻很難做到。我們使用了一種更簡(jiǎn)單的方法，稱為調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)，通過比較發(fā)射波和反射波的頻率來測(cè)量距離。我們的系統(tǒng)在5 000到7 000兆赫之間運(yùn)行，傳輸?shù)男盘?hào)只有Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度的0.1%，可以確定幾厘米遠(yuǎn)的物體的距離。 使用一個(gè)發(fā)射天線和多個(gè)安裝在不同位置的接收天線，我們可以測(cè)量每個(gè)發(fā)射-接收天線對(duì)的無線電反射。這些測(cè)量數(shù)據(jù)顯示了無線電信號(hào)離開發(fā)射器，到達(dá)隔壁房間的人并被反射回接收器所花費(fèi)的時(shí)間（通常是幾十納秒）。將這個(gè)很短的時(shí)間間隔乘以光速，就得到了信號(hào)從發(fā)射機(jī)到人再回到接收機(jī)的距離。這是中學(xué)幾何課上的知識(shí)。這個(gè)距離可確定一個(gè)橢圓，兩個(gè)天線位于橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)。在隔壁房間產(chǎn)生反射的人一定位于該橢圓上的某個(gè)位置。 通過兩個(gè)接收天線，我們可以畫出兩個(gè)這樣的橢圓，它們?cè)谌怂幍奈恢孟嘟?。如果接收天線超過2個(gè)，就有可能在三維空間中將這個(gè)人定位。例如，你可以分辨出這個(gè)人是站著還是躺在地板上。如果要用這種方法定位多人，可能會(huì)有難度，但我們后來的研究表明，有了足夠的天線，這也是可行的。

為這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序很容易。智能家居可以跟蹤居住者的位置，調(diào)整不同房間的供暖和制冷。也可以監(jiān)測(cè)老年人，以確保他們沒有摔倒或因其他情況無法動(dòng)彈，而且這些老年人不需要佩戴無線電發(fā)射器。我們甚至開發(fā)了一種方法，讓我們的系統(tǒng)能夠跟蹤某人的手臂動(dòng)作，用戶只要指向燈光或電器，就能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行控制。

━━━━我們研究團(tuán)隊(duì)的下一步自然是捕捉墻外的人的輪廓，新增團(tuán)隊(duì)成員包括了研究生許承郁、毛洪姿（Hongzi Mao，音）和佛瑞多?杜蘭德（Frédo Durand）教授。 其中的根本挑戰(zhàn)是，在Wi-Fi頻率下，來自人體某些部分的反射會(huì)反彈到接收天線，而其他反射會(huì)向其他方向發(fā)射。所以我們的無線成像設(shè)備會(huì)捕捉一些身體部位而忽略其他部位，而且我們并不知道捕捉到的是哪些身體部位。 我們的解決方案非常簡(jiǎn)單，我們匯總了隨著時(shí)間的推移得到的測(cè)量值。這是可行的，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)人移動(dòng)時(shí)，暴露在無線電波中的是不同的身體部位以及同一身體部位的不同角度。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)算法，使用人體模型來拼接一系列反射快照，然后，我們的設(shè)備就能夠重建一個(gè)粗略的人體輪廓，顯示出其頭部、胸部、手臂和腳的位置。 雖然這不是超人的透視眼，但考慮到人們對(duì)隱私的擔(dān)憂，低分辨率可能會(huì)是一種特點(diǎn)而不是缺陷。我們后來證明，在機(jī)器學(xué)習(xí)分類器的幫助下，使用這些影子般的圖像的分辨率就足夠識(shí)別不同的人。我們的系統(tǒng)還可以用于在幾厘米范圍內(nèi)跟蹤用戶的手掌，這就意味著未來我們也許能夠檢測(cè)手勢(shì)。

最初，我們假設(shè)的是該系統(tǒng)只能跟蹤一個(gè)正在移動(dòng)的人。有一天，我要求測(cè)試對(duì)象在設(shè)備的初始化階段保持靜止。雖然系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為忽略靜態(tài)對(duì)象，但它還是準(zhǔn)確地記錄了人的位置，我們對(duì)此感到非常驚訝。更仔細(xì)地觀察設(shè)備的輸出后，我們發(fā)現(xiàn)拍攝對(duì)象的原始無線電圖像正在不時(shí)出現(xiàn)和消失，其周期性與他的呼吸相符。我們還沒有意識(shí)到，該系統(tǒng)可以使用這種低功率無線信號(hào)在典型的室內(nèi)環(huán)境中捕捉人類呼吸。當(dāng)然，其原因在于與胸部擴(kuò)張和牽引相關(guān)的輕微運(yùn)動(dòng)會(huì)影響無線信號(hào)。發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)后，我們對(duì)系統(tǒng)和算法進(jìn)行了改進(jìn)，以便準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)呼吸。

早期的文獻(xiàn)研究表明，利用雷達(dá)探測(cè)呼吸和心跳是有可能的，更仔細(xì)地觀察接收到的信號(hào)后，我們發(fā)現(xiàn)我們還可以測(cè)量人的脈搏。這是因?yàn)?，心臟在泵血時(shí)產(chǎn)生的力會(huì)導(dǎo)致身體不同部位以微妙的方式振蕩。雖然這些運(yùn)動(dòng)的幅度很小，但即使是在有大量無線電噪聲和多個(gè)受試者在周圍移動(dòng)的環(huán)境中，我們的算法也可以將其放大，并可以高精度地追蹤，這也是早期研究人員沒能實(shí)現(xiàn)的。

顯然，這一發(fā)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)重要的實(shí)際應(yīng)用，所以我們很興奮地成立了一家名為Emerald的公司，以便將我們的研究商業(yè)化。我們以Emerald的名義參加了麻省理工學(xué)院10萬美元?jiǎng)?chuàng)業(yè)大賽，并進(jìn)入了決賽。雖然最終未能獲獎(jiǎng)，但還是被邀請(qǐng)?jiān)?015年8月的白宮“演示日”（Demo Day）上展示我們的設(shè)備，這是美國(guó)前總統(tǒng)巴拉克?奧巴馬組織的一個(gè)活動(dòng)，旨在為全美各地的創(chuàng)新活動(dòng)提供展示的舞臺(tái)。 向總統(tǒng)演示自己的工作讓人激動(dòng)不已。他看到了我們的系統(tǒng)檢測(cè)到我摔倒，并監(jiān)控我的呼吸和心跳。他指出，該系統(tǒng)可以用作一個(gè)很好的嬰兒監(jiān)測(cè)器。事實(shí)上，我們做過的最有趣的測(cè)試之一就是對(duì)熟睡的嬰兒進(jìn)行測(cè)試。 普通嬰兒監(jiān)測(cè)器上的視頻顯示的內(nèi)容并不多。配備了我們的設(shè)備后，監(jiān)測(cè)器就可以輕松地測(cè)量嬰兒的呼吸和心率。這種方法也可用于醫(yī)院監(jiān)測(cè)新生兒和早產(chǎn)兒的生命體征。這些嬰兒的皮膚非常敏感，因此很難在他們身上連接傳統(tǒng)的傳感器。━━━━大約3年前，我們決定嘗試用無線信號(hào)感知人類的情緒。為什么不呢？當(dāng)一個(gè)人興奮時(shí)，他（她）的心率會(huì)加快；感覺幸福時(shí)心率會(huì)變慢。不過我們很快意識(shí)到，僅僅靠呼吸和心率是不夠的。畢竟，當(dāng)我們生氣的時(shí)候，我們的心率也會(huì)比較快，而悲傷的時(shí)候，心率也會(huì)比較慢。 過去情感計(jì)算領(lǐng)域的研究曾試圖通過視頻、圖像、聲音、腦電圖（EEG）與心電圖（ECG）等方式來識(shí)別人類的情感，而我們了解到，識(shí)別人類情感最重要的標(biāo)志是心跳之間毫秒級(jí)的變化。這比平均心率更難測(cè)量。與峰值非常明顯的心電信號(hào)不同的是，我們的無線設(shè)備上的心跳信號(hào)的形狀無法預(yù)知，而且信號(hào)非常嘈雜。為了克服這些問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)從無線反射的模式中學(xué)習(xí)心跳信號(hào)的形狀，然后使用這個(gè)形狀來恢復(fù)每次心跳的時(shí)長(zhǎng)。 利用這些心跳信號(hào)和人的呼吸模式的特征，我們訓(xùn)練了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，把這些特征分為4種基本情緒狀態(tài)：悲傷、憤怒、快樂和喜悅。悲傷和憤怒是負(fù)面情緒，但悲傷是一種平靜的情緒，而憤怒與興奮有關(guān)。快樂和喜悅這兩種積極的情緒同樣與平靜和興奮的狀態(tài)有關(guān)。 通過在不同的人身上測(cè)試我們的系統(tǒng)，我們發(fā)現(xiàn)，針對(duì)同一個(gè)主體進(jìn)行測(cè)試和訓(xùn)練時(shí)，它感知情緒的準(zhǔn)確率達(dá)87%。即便沒有使用受試者的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，它識(shí)別受試者情緒的準(zhǔn)確率仍然超過73%。 2016年10月，研究生趙明敏（Mingmin Zhao，音）、卡塔比和我發(fā)表了一篇有關(guān)該結(jié)果的學(xué)術(shù)文章并被大眾媒體爭(zhēng)相報(bào)道。幾個(gè)月后，我們的研究激發(fā)了美國(guó)情景喜劇《生活大爆炸》的靈感。在這一集里，角色們借用了我們開發(fā)的設(shè)備，試圖提高謝爾頓的情商。 雖然無線設(shè)備不太可能以這種方式給人提供幫助，但使用無線信號(hào)來識(shí)別人類的基本精神狀態(tài)可能會(huì)有其他實(shí)際應(yīng)用。例如，它有可能幫助像亞馬遜Alexa這樣的虛擬助手來識(shí)別用戶的情緒狀態(tài)。 還有許多其他可能的應(yīng)用程序，我們才剛剛開始探索。如今，已經(jīng)有200多個(gè)家庭安裝了Emerald的原型機(jī)，它們可以監(jiān)測(cè)測(cè)試對(duì)象的睡眠和步態(tài)。波士頓醫(yī)療中心、布里格姆婦女醫(yī)院、馬薩諸塞州總醫(yī)院的醫(yī)生們將利用這些數(shù)據(jù)研究阿爾茨海默癥、帕金森癥和多發(fā)性硬化癥患者的病情進(jìn)展。我們希望在不遠(yuǎn)的將來，任何人都能購(gòu)買到Emerald的設(shè)備。 有人問我無線傳感的下一步會(huì)怎樣發(fā)展時(shí)，我的答案是反問他們最喜歡的超能力是什么。很有可能，這就是這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展方向。