類似 Wi-Fi 的無(wú)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(wú)法想象，有一天我會(huì)把這些超能力變成現(xiàn)實(shí)，更無(wú)法想象我會(huì)向美國(guó)總統(tǒng)展示這些能力所帶來(lái)的可能性。不過(guò)，20年后，它確實(shí)發(fā)生了。 當(dāng)然，其中并沒(méi)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(wú)線技術(shù)感知附近發(fā)射器發(fā)出的無(wú)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(wú)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。基于這項(xiàng)技術(shù)的設(shè)備將很快投入市場(chǎng)。未來(lái)，它們可以用來(lái)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(wú)線電設(shè)備的手鐲或吊墜。這項(xiàng)技術(shù)還可以用來(lái)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(wú)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(lái)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(wú)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(wú)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(wèn)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(lái)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(wú)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(wú)線信號(hào)會(huì)反射到他（她）的身上。自然，當(dāng)信號(hào)穿過(guò)墻，反射回來(lái)，再穿過(guò)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(guò)墻看到東西了。 利用無(wú)線電波探測(cè)墻另一邊的情況以前也做過(guò)實(shí)驗(yàn)，不過(guò)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(méi)有太大差別。 開(kāi)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(wàn)到10萬(wàn)倍。其次是無(wú)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(lái)抵消所有其他的反射，只留下來(lái)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(lái)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(lái)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(méi)有被抵消的反射（比如來(lái)自從墻后移動(dòng)的人的反射）才會(huì)被記錄下來(lái)。這樣，我們就可以在不讓接收器承受過(guò)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(lái)，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(guò)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(méi)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(lái)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(wú)線電脈沖，然后測(cè)量反射回來(lái)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(guò)比較發(fā)射波和反射波的頻率來(lái)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(wú)線電反射。這些測(cè)量數(shù)據(jù)顯示了無(wú)線電信號(hào)離開(kāi)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(guò)兩個(gè)接收天線，我們可以畫(huà)出兩個(gè)這樣的橢圓，它們?cè)谌怂幍奈恢孟嘟弧Ｈ绻邮仗炀€超過(guò)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(lái)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(méi)有摔倒或因其他情況無(wú)法動(dòng)彈，而且這些老年人不需要佩戴無(wú)線電發(fā)射器。我們甚至開(kāi)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(lái)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(wú)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(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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(wú)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(méi)有意識(shí)到，該系統(tǒng)可以使用這種低功率無(wú)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(wú)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(wú)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(méi)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(wàn)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(guò)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(wú)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(jué)幸福時(shí)心率會(huì)變慢。不過(guò)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(guò)去情感計(jì)算領(lǐng)域的研究曾試圖通過(guò)視頻、圖像、聲音、腦電圖（EEG）與心電圖（ECG）等方式來(lái)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(wú)線設(shè)備上的心跳信號(hào)的形狀無(wú)法預(yù)知，而且信號(hào)非常嘈雜。為了克服這些問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)從無(wú)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(lái)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(lè)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)?？鞓?lè)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(guò)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(méi)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(guò)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(kāi)發(fā)的設(shè)備，試圖提高謝爾頓的情商。 雖然無(wú)線設(shè)備不太可能以這種方式給人提供幫助，但使用無(wú)線信號(hào)來(lái)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(lái)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(kāi)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(lái)，任何人都能購(gòu)買(mǎi)到Emerald的設(shè)備。 有人問(wèn)我無(wú)線傳感的下一步會(huì)怎樣發(fā)展時(shí)，我的答案是反問(wèn)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。