科學(xué)研究：步態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器

圖片來(lái)源：Pixabay
指紋并不是能夠區(qū)分不同個(gè)體的唯一生物特征。要知道，每個(gè)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(gè)人的識(shí)別特征（identifier）。目前，已經(jīng)有科學(xué)家開(kāi)發(fā)出通過(guò)測(cè)量地板微弱振動(dòng)來(lái)分析步態(tài)特征的監(jiān)測(cè)設(shè)備。利用這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家不僅可以測(cè)試和驗(yàn)證一種非穿戴式的健康監(jiān)測(cè)方法，還可以識(shí)別出在樓道中走動(dòng)的人具體是誰(shuí)。
盧海燕（Hae Young Noh）表示，每個(gè)人走路的方式體現(xiàn)出了“非常獨(dú)特的個(gè)人特征”。盧海燕目前在斯坦福大學(xué)任教，開(kāi)展這項(xiàng)研究時(shí)，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(guó)雪城大學(xué)（Syracuse University）的電氣工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家維爾·弗阿（Vir Phoha，并未參與這項(xiàng)研究）說(shuō)：“步態(tài)可以指示你是誰(shuí)，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(cè)到某種步伐模式，軟件就可以對(duì)其進(jìn)行分析，驗(yàn)證個(gè)人身份。在開(kāi)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(jiǎn)單的身份信息，還有更多非常重要的信息。弗阿補(bǔ)充說(shuō)：“你可以從一個(gè)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(wèn)題。有了這些方法，醫(yī)生可以更有效地監(jiān)測(cè)老年人或其他想要獨(dú)立生活的高危人群。在不直接影響監(jiān)測(cè)對(duì)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(gè)人的健康狀況。以前研究人員必須給監(jiān)測(cè)對(duì)象配備可穿戴設(shè)備，或讓他們?cè)谔厥獾膲|子或經(jīng)過(guò)改造的地板上行走，以此監(jiān)測(cè)這些數(shù)據(jù)特征。但是，無(wú)論是盧海燕，還是卡耐基梅隆大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)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(dòng)產(chǎn)生的微弱振動(dòng)。盧海燕說(shuō)：“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(cè)人類和其周圍的環(huán)境?！?br>

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要想檢測(cè)到腳步產(chǎn)生的震動(dòng)，還需要靈敏度極高的探測(cè)器。張培說(shuō)：“這個(gè)例子可以讓你體會(huì)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(kāi)外的地上，此時(shí)，我們?nèi)匀豢梢詸z測(cè)到你的心跳。”盧海燕表示，每個(gè)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(cè)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(cè)的區(qū)域布置這種傳感器陣列。
不過(guò)，還有一點(diǎn)需要注意。研究小組必須首先“教會(huì)”新系統(tǒng)如何收集和分辨有用的信號(hào)，畢竟任何一座繁忙的建筑中都有大量背景音?！皩?duì)抗噪音是我們面臨的最大挑戰(zhàn)?！北R海燕說(shuō)，解決這個(gè)問(wèn)題需要將硬件和軟件這兩方面結(jié)合起來(lái)。在硬件方面，每個(gè)傳感器都配有放大器，可根據(jù)腳步振動(dòng)的程度自動(dòng)調(diào)整靈敏度。當(dāng)振動(dòng)來(lái)自更遠(yuǎn)的地方時(shí)，放大器就會(huì)調(diào)高靈敏度；當(dāng)信號(hào)變強(qiáng)，有超過(guò)傳感器感知范圍的危險(xiǎn)時(shí)，放大器則會(huì)調(diào)低靈敏度。
一旦傳感器接收到相應(yīng)的信號(hào)，接下來(lái)的工作就需要交給軟件處理。盧海燕說(shuō)：“我們嘗試了各種信號(hào)處理和機(jī)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(hào)，哪些是我們不感興趣的噪音?！迸c通過(guò)其他監(jiān)測(cè)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(cè)量的行走模式可用來(lái)確定個(gè)人身份，發(fā)現(xiàn)潛在的健康問(wèn)題。在今年2月的實(shí)驗(yàn)力學(xué)協(xié)會(huì)（Society for Experimental Mechanics）國(guó)際模態(tài)分析會(huì)議上，該團(tuán)隊(duì)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(shí)時(shí)顯示步行者的行為，這不禁讓研究人員聯(lián)想到了“活點(diǎn)地圖”（Marauder's Map）。那是一套來(lái)自《哈利·波特》（Harry Potter）的地圖，打開(kāi)后能夠顯示不同樓層的平面圖。當(dāng)然，最關(guān)鍵一點(diǎn)在于，它還能實(shí)時(shí)顯示小說(shuō)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(kù)勒（Eve Schooler，并未參與這項(xiàng)研究，但此前與研究人員有過(guò)合作）指出，盡管這張?zhí)摌?gòu)地圖只描繪了一個(gè)地點(diǎn)，但新型步伐傳感器可運(yùn)用于任何建筑。斯庫(kù)勒說(shuō)：“有趣的是，這些研究人員開(kāi)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(wú)需預(yù)先校準(zhǔn)人體在不同環(huán)境中產(chǎn)生的信號(hào)，一旦系統(tǒng)在初始環(huán)境中學(xué)會(huì)了如何抽提出所需的步態(tài)信號(hào)，就可以適應(yīng)大量不同的環(huán)境。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提供的技術(shù)已經(jīng)可以為你做到這一點(diǎn)?！币簿褪钦f(shuō)，一旦系統(tǒng)“學(xué)會(huì)”了個(gè)人的標(biāo)志性步態(tài)，無(wú)論是在辦公室還是在家里，傳感器陣列都能有效地進(jìn)行識(shí)別。


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對(duì)于設(shè)備的價(jià)格，盧海燕是這樣估計(jì)的：每臺(tái)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(gè)樓層的圖像，需要每隔20米放置一臺(tái)設(shè)備。這樣看來(lái)，成本確實(shí)不會(huì)太高，斯庫(kù)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(duì)隱私保護(hù)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(shí)，應(yīng)該是基于雙方都同意的前提。他們指出，這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以幫助護(hù)理人員了解老年人在何時(shí)可能會(huì)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(yíng)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(jī)等設(shè)備更能保護(hù)個(gè)人的隱私。
“實(shí)際上，研發(fā)這套設(shè)備的初衷，就是因?yàn)槠渌愋偷谋O(jiān)控機(jī)制會(huì)帶來(lái)隱私問(wèn)題，”張培說(shuō)，在健康面前，“我愿意犧牲一點(diǎn)個(gè)人數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)預(yù)防跌倒和檢測(cè)疾病的目的?！?br> 撰文：索菲·布什維克（Sophie Bushwick）
翻譯：林清
文章來(lái)源：環(huán)球科學(xué)


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