科學(xué)研究：步態(tài)監(jiān)測傳感器

圖片來源：Pixabay
指紋并不是能夠區(qū)分不同個體的唯一生物特征。要知道，每個人的步態(tài)都是與眾不同的，它不僅可作為情緒和健康的指標(biāo)（indicator），還可以作為個人的識別特征（identifier）。目前，已經(jīng)有科學(xué)家開發(fā)出通過測量地板微弱振動來分析步態(tài)特征的監(jiān)測設(shè)備。利用這項技術(shù)，科學(xué)家不僅可以測試和驗證一種非穿戴式的健康監(jiān)測方法，還可以識別出在樓道中走動的人具體是誰。
盧海燕（Hae Young Noh）表示，每個人走路的方式體現(xiàn)出了“非常獨特的個人特征”。盧海燕目前在斯坦福大學(xué)任教，開展這項研究時，她是卡耐基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）土木和環(huán)境工程系的助理教授。美國雪城大學(xué)（Syracuse University）的電氣工程師和計算機科學(xué)家維爾·弗阿（Vir Phoha，并未參與這項研究）說：“步態(tài)可以指示你是誰，你在哪里，你在做什么，甚至反映出你的認(rèn)知狀態(tài)?！比绻布鞲衅鞅O(jiān)測到某種步伐模式，軟件就可以對其進行分析，驗證個人身份。在開發(fā)早期，這套系統(tǒng)的準(zhǔn)確率就已經(jīng)達(dá)到了95%。
步伐模式能夠提供的，不僅僅是簡單的身份信息，還有更多非常重要的信息。弗阿補充說：“你可以從一個人的步態(tài)中了解到很多信息，特別是與健康有關(guān)的信息?！崩?，如果有人身體平衡發(fā)生變化，兩側(cè)體重不一致，這表明他的神經(jīng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)了問題。有了這些方法，醫(yī)生可以更有效地監(jiān)測老年人或其他想要獨立生活的高危人群。在不直接影響監(jiān)測對象生活空間的前提下，跟蹤他們的步態(tài)可以密切關(guān)注個人的健康狀況。以前研究人員必須給監(jiān)測對象配備可穿戴設(shè)備，或讓他們在特殊的墊子或經(jīng)過改造的地板上行走，以此監(jiān)測這些數(shù)據(jù)特征。但是，無論是盧海燕，還是卡耐基梅隆大學(xué)電氣與計算機工程系的張培及其同事，都想研發(fā)一種便攜式的遙控步伐傳感器。為此，他們巧妙地利用了這樣一種原理：不管是墻壁還是地板，都可以從其所在空間中接收到人類活動產(chǎn)生的微弱振動。盧海燕說：“我們把這稱為‘結(jié)構(gòu)傳感器’。相當(dāng)于我們將這些巨大的物理結(jié)構(gòu)（比如建筑物和橋梁）用作傳感系統(tǒng)，間接地監(jiān)測人類和其周圍的環(huán)境?！?br>

圖片來源：Pixabay
要想檢測到腳步產(chǎn)生的震動，還需要靈敏度極高的探測器。張培說：“這個例子可以讓你體會到傳感器有多靈敏：你坐在一把椅子上，我們把傳感器放在一米開外的地上，此時，我們?nèi)匀豢梢詸z測到你的心跳?！北R海燕表示，每個傳感器都是幾厘米高的圓柱形裝置，放在地板上可以監(jiān)測到20米以內(nèi)的行人。研究人員可以在任何他們想要監(jiān)測的區(qū)域布置這種傳感器陣列。
不過，還有一點需要注意。研究小組必須首先“教會”新系統(tǒng)如何收集和分辨有用的信號，畢竟任何一座繁忙的建筑中都有大量背景音。“對抗噪音是我們面臨的最大挑戰(zhàn)?！北R海燕說，解決這個問題需要將硬件和軟件這兩方面結(jié)合起來。在硬件方面，每個傳感器都配有放大器，可根據(jù)腳步振動的程度自動調(diào)整靈敏度。當(dāng)振動來自更遠(yuǎn)的地方時，放大器就會調(diào)高靈敏度；當(dāng)信號變強，有超過傳感器感知范圍的危險時，放大器則會調(diào)低靈敏度。
一旦傳感器接收到相應(yīng)的信號，接下來的工作就需要交給軟件處理。盧海燕說：“我們嘗試了各種信號處理和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，希望以此分辨出哪些是與人類相關(guān)的信號，哪些是我們不感興趣的噪音?！迸c通過其他監(jiān)測方法（比如可穿戴設(shè)備或壓力墊）得到的數(shù)據(jù)一樣，新型傳感器測量的行走模式可用來確定個人身份，發(fā)現(xiàn)潛在的健康問題。在今年2月的實驗力學(xué)協(xié)會（Society for Experimental Mechanics）國際模態(tài)分析會議上，該團隊展示了他們的研究成果。
這套系統(tǒng)能夠在電腦顯示器上實時顯示步行者的行為，這不禁讓研究人員聯(lián)想到了“活點地圖”（Marauder's Map）。那是一套來自《哈利·波特》（Harry Potter）的地圖，打開后能夠顯示不同樓層的平面圖。當(dāng)然，最關(guān)鍵一點在于，它還能實時顯示小說中不同人物所在的位置。英特爾新興物聯(lián)網(wǎng)主管、首席工程師伊芙·斯庫勒（Eve Schooler，并未參與這項研究，但此前與研究人員有過合作）指出，盡管這張?zhí)摌?gòu)地圖只描繪了一個地點，但新型步伐傳感器可運用于任何建筑。斯庫勒說：“有趣的是，這些研究人員開發(fā)的算法使這套系統(tǒng)有很好的適應(yīng)性。即便在不同的建筑中，你也無需預(yù)先校準(zhǔn)人體在不同環(huán)境中產(chǎn)生的信號，一旦系統(tǒng)在初始環(huán)境中學(xué)會了如何抽提出所需的步態(tài)信號，就可以適應(yīng)大量不同的環(huán)境。這個研究團隊提供的技術(shù)已經(jīng)可以為你做到這一點?！币簿褪钦f，一旦系統(tǒng)“學(xué)會”了個人的標(biāo)志性步態(tài)，無論是在辦公室還是在家里，傳感器陣列都能有效地進行識別。


圖片來源：Pixabay
對于設(shè)備的價格，盧海燕是這樣估計的：每臺設(shè)備的生產(chǎn)成本大約在10~20美元之間，如果需要布置傳感器陣列創(chuàng)建整個樓層的圖像，需要每隔20米放置一臺設(shè)備。這樣看來，成本確實不會太高，斯庫勒提出廣泛應(yīng)用這套設(shè)備的想法，似乎是可行的。
值得注意的是，這種監(jiān)控能力也引發(fā)了大家對隱私保護的關(guān)注。研究人員提出，當(dāng)他們的技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療保健時，應(yīng)該是基于雙方都同意的前提。他們指出，這種監(jiān)測系統(tǒng)可以幫助護理人員了解老年人在何時可能會摔倒，還可以幫助兒童醫(yī)院及早發(fā)現(xiàn)慢性疾病的癥狀，比如肌營養(yǎng)不良。研發(fā)人員認(rèn)為，在很多情況下，步伐傳感器比攝像機等設(shè)備更能保護個人的隱私。
“實際上，研發(fā)這套設(shè)備的初衷，就是因為其他類型的監(jiān)控機制會帶來隱私問題，”張培說，在健康面前，“我愿意犧牲一點個人數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)預(yù)防跌倒和檢測疾病的目的?！?br> 撰文：索菲·布什維克（Sophie Bushwick）
翻譯：林清
文章來源：環(huán)球科學(xué)


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動詳情
?