无线电波与超材料相结合：能感知室内细微的人体运动！

近日，美国杜克大学和法国朗之万研究所的科研团队采用无线电波制造的图案，能在室内任意位置，检测到一个人的存在并定位。这种基于超材料的新型运动传感器足够灵敏，甚至可以探测到一个人的呼吸。

背景

运动感应灯，并不算什么新奇事物，不少人都曾体验过。在感应到人体运动时，它会自动打开；而没有感应到人体运动时，又会自动关闭。虽然这样可以有效地节省能源，但是为了让运动感应灯熄灭后又重新点亮，或许不少人都曾有过在房间内“跳来跳去”的经历。

大多数的运动感应灯都配备了红外运动探测器。简单说，红外运动探测器是一种依靠红外线检测人体运动的设备。然而，这种设备却存在一些缺陷。

美国杜克大学电气与计算机工程系教授David R. Smith 表示：“能源公司不喜欢红外运动探测器，是因为它们存在许多问题。首先，它们可覆盖的空间有限，一个人只有在设备的视线范围内才能被检测到。而且，几乎每个人都会有这样的体验，久坐不动，灯就会熄灭。”

创新

然而，Smith 教授却想到了一种新方法。他表示：“无线电波可以突破所有这些限制。” 在两项新研究中，来自美国杜克大学（Duke University）和法国朗之万研究所（Institut Langevin）的科研团队采用无线电波制造的图案，能在室内任意位置，检测到一个人的存在并定位。这种基于超材料的新型运动传感器足够灵敏，甚至可以探测到一个人的呼吸。

超材料的近距离照片。它可以操控无线电波的形状，从而检测室内的运动。每个单元可以经过单独地调谐，以特殊的方式与无线电波交互。

（图片来源：Timothy Sleasman）

近日，这些研究成果于发表在《科学报告（Scientific Reports ）》和《物理评论快报（Physical Review Letters）》杂志。参与项目的法国科学家创办了一个相关的创业公司，名为“Greenerwave”。

技术

在今年早些时候发表的初期论文中，研究人员就利用过无线电波在室内四处反射和相互干涉制造出的图案。室内物体的最微小动作，都会为这些独特的图案带来变化，通过灵敏的天线就可以检测到有物体进入房间。随着时间推移，对比这些图案的变化，科学家们还可以检测到周期性运动，例如风扇叶片的旋转，甚至一个人的呼吸。

团队在最近的论文中展示，系统经过一点训练，就可以提取必要的信息，定位空间中的物体或者人体。该演示系统通过放置在地板上23个不同位置的三角块所散射的无线电波图案来训练。这种校准很充分，它不仅可以区分已经学习到的23种情况，也可以区分三个相同三角块在1771种可能配置中任意一种中的位置。

室内定位研究的实验配置

（图片来源：杜克大学）

这项技术利用了无线电波在封闭空间中的行为。它们在室内多个表面上持续反射的能力，创造出了复杂的干涉图案。过去，这种复杂性一直是系统尝试定位原始信号的障碍。然而，Smith 及其同事现在却展示了，同样的复杂性可用于检测室内物体的运动并定位物体。

法国巴黎朗之万研究所Smith 实验室的访问研究员Philipp del Hougne 表示：“无线电波在室内四处反射和相互干涉的方式的复杂性，创造出了一种指纹。物体在室内的每一次运动，即使是一点点，指纹就会发生变化。”

挑战在于：找到最有效的途径从一开始就与那个指纹联系起来。del Hougne 解释道，它需要许多信息。虽然许多传统的方法都能实现，但是它们都有缺点。

科学家们在室内许多地方安装了大量的天线来进行多重测量，但是这样不但高成本，还不方便。另外一个方法，就是测量许多不同的频率，因为每次室内的反射都会有一种独特的方式。然而，这种方法很可能会与房间内其他正在工作的无线电信号，例如Wi-Fi和蓝牙，相互干扰。

美国杜克大学和法国朗之万研究所的科研团队的方案，采用超材料动态控制无线电波的形状。超材料一般是指通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的复合材料。例如，超材料可以操控光波、声波、电磁波等，实现普通材料所无法实现的功能。一个平面的超材料天线可以任意地配置波，并接连不断地创造出不同的波前。

Smith 表示：“不管那些特殊的波形是怎样的，只要它们是不同的，检测器就能获取到足够多的不同图案，判断有没有物体在那里以及它的位置。”

（图片来源：参考资料【3】）

论文作者之一、Smith 实验室的博士后研究员Mohammadreza Imani 表示：“其他技术也可以创造出类似功能的波前，但是它们的成本和能耗都非常高。研究显示，当有人离开或者返回时，调整房间温度可以降低功耗达30%。但是，如果你正尝试耗费更多的能量改变天线模式，那么将会无济于事。”

价值

对于新型运动感知技术的价值来说，节能只是冰山一角。计算房间中的人数，区分个体的位置与检测呼吸模式，有望带来安全、保健和游戏等众多潜在应用，并更大程度地丰富智能家居产品。

参考资料

【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