科學研究：步態監測傳感器

圖片來源：Pixabay
指紋並不是能夠區分不同個體的唯一生物特征。要知道，每個人的步態都是與眾不同的，它不僅可作為情緒和健康的指標（indicator），還可以作為個人的識別特征（identifier）。目前，已經有科學家開發出通過測量地板微弱振動來分析步態特征的監測設備。利用這項技術，科學家不僅可以測試和驗證一種非穿戴式的健康監測方法，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出了“非常獨特的個人特征”。盧海燕目前在斯坦福大學任教，開展這項研究時，她是卡耐基梅隆大學（Carnegie Mellon University）土木和環境工程係的助理教授。美國雪城大學（Syracuse University）的電氣工程師和計算機科學家維爾·弗阿（Vir Phoha，並未參與這項研究）說：“步態可以指示你是誰，你在哪裏，你在做什麽，甚至反映出你的認知狀態。”如果硬件傳感器監測到某種步伐模式，軟件就可以對其進行分析，驗證個人身份。在開發早期，這套係統的準確率就已經達到了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中了解到很多信息，特別是與健康有關的信息。”例如，如果有人身體平衡發生變化，兩側體重不一致，這表明他的神經係統可能出現了問題。有了這些方法，醫生可以更有效地監測老年人或其他想要獨立生活的高危人群。在不直接影響監測對象生活空間的前提下，跟蹤他們的步態可以密切關注個人的健康狀況。以前研究人員必須給監測對象配備可穿戴設備，或讓他們在特殊的墊子或經過改造的地板上行走，以此監測這些數據特征。但是，無論是盧海燕，還是卡耐基梅隆大學電氣與計算機工程係的張培及其同事，都想研發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：不管是牆壁還是地板，都可以從其所在空間中接收到人類活動產生的微弱振動。盧海燕說：“我們把這稱為‘結構傳感器’。相當於我們將這些巨大的物理結構（比如建築物和橋梁）用作傳感係統，間接地監測人類和其周圍的環境。”


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要想檢測到腳步產生的震動，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，我們仍然可以檢測到你的心跳。”盧海燕表示，每個傳感器都是幾厘米高的圓柱形裝置，放在地板上可以監測到20米以內的行人。研究人員可以在任何他們想要監測的區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”新係統如何收集和分辨有用的信號，畢竟任何一座繁忙的建築中都有大量背景音。“對抗噪音是我們麵臨的最大挑戰。”盧海燕說，解決這個問題需要將硬件和軟件這兩方麵結合起來。在硬件方麵，每個傳感器都配有放大器，可根據腳步振動的程度自動調整靈敏度。當振動來自更遠的地方時，放大器就會調高靈敏度；當信號變強，有超過傳感器感知範圍的危險時，放大器則會調低靈敏度。
一旦傳感器接收到相應的信號，接下來的工作就需要交給軟件處理。盧海燕說：“我們嚐試了各種信號處理和機器學習技術，希望以此分辨出哪些是與人類相關的信號，哪些是我們不感興趣的噪音。”與通過其他監測方法（比如可穿戴設備或壓力墊）得到的數據一樣，新型傳感器測量的行走模式可用來確定個人身份，發現潛在的健康問題。在今年2月的實驗力學協會（Society for Experimental Mechanics）國際模態分析會議上，該團隊展示了他們的研究成果。
這套係統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，打開後能夠顯示不同樓層的平麵圖。當然，最關鍵一點在於，它還能實時顯示小說中不同人物所在的位置。英特爾新興物聯網主管、首席工程師伊芙·斯庫勒（Eve Schooler，並未參與這項研究，但此前與研究人員有過合作）指出，盡管這張虛構地圖隻描繪了一個地點，但新型步伐傳感器可運用於任何建築。斯庫勒說：“有趣的是，這些研究人員開發的算法使這套係統有很好的適應性。即便在不同的建築中，你也無需預先校準人體在不同環境中產生的信號，一旦係統在初始環境中學會了如何抽提出所需的步態信號，就可以適應大量不同的環境。這個研究團隊提供的技術已經可以為你做到這一點。”也就是說，一旦係統“學會”了個人的標誌性步態，無論是在辦公室還是在家裏，傳感器陣列都能有效地進行識別。


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對於設備的價格，盧海燕是這樣估計的：每台設備的生產成本大約在10~20美元之間，如果需要布置傳感器陣列創建整個樓層的圖像，需要每隔20米放置一台設備。這樣看來，成本確實不會太高，斯庫勒提出廣泛應用這套設備的想法，似乎是可行的。
值得注意的是，這種監控能力也引發了大家對隱私保護的關注。研究人員提出，當他們的技術應用於醫療保健時，應該是基於雙方都同意的前提。他們指出，這種監測係統可以幫助護理人員了解老年人在何時可能會摔倒，還可以幫助兒童醫院及早發現慢性疾病的症狀，比如肌營養不良。研發人員認為，在很多情況下，步伐傳感器比攝像機等設備更能保護個人的隱私。
“實際上，研發這套設備的初衷，就是因為其他類型的監控機製會帶來隱私問題，”張培說，在健康麵前，“我願意犧牲一點個人數據，以此實現預防跌倒和檢測疾病的目的。”
撰文：索菲·布什維克（Sophie Bushwick）
翻譯：林清
文章來源：環球科學


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