北大張大慶教授：無線感知賦予具身智能“第六感官”，6G時代手機隔空測心跳

白交 2024-08-22 14:57:25 來源：量子位

楊凈 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI

毫無疑問，具身智能已成為時下最流行的技術趨勢之一。

但相較于人類基礎能力，如大腦、耳目和四肢的協同，機器人執行物理任務時仍然顯得笨拙。

△來源量子位智庫《中國AIGC產業全景報告》

如何讓機器人更靈活的「動」起來？

作為一切行為的起點，感知系統就顯得尤為關鍵。

除了傳統的視覺聽覺，北京大學張大慶教授提供了一種新的思路：

無線感知。

通過WiFi、5G這樣的無線信號來隔墻感知，感知精度甚至能達到毫米級，彌補了攝像頭等設備感知范圍的局限。而且硬件設備隨處可見，就是手機也行，附加成本可基本忽略不計。

之后讓機器人全方位輔助老年人的生活，可能也將成為現實~

而且隨著6G時代的到來，我們日常的手機終端也許就能隔空感知人體的呼吸心跳。

誰是張大慶？

作為國際上最早從事智能感知的華人科學家，他已在情境感知領域深耕二十余年，他許多的學生已成為這一領域國內中青年領軍人才。目前張大慶擔任北大講席教授、歐洲科學院院士。

過去十年他們在理論上揭開了泛在無線感知的密碼，也率先全面利用各種無線信號探索感知邊界并開始在醫療、康養、安防等行業開展應用，如今他們又開辟了更前沿的研究方向：

量子無線感知。

無線感知現在發展到什么階段？如何成為具身智能“第六感官”？量子無線感知又是什么？量子位同張大慶教授聊了聊。

探索具身智能的“第六感官”

具身智能的基礎是對物理世界的感知，張大慶坦言，如果感知的維度和精度不夠，那么具身智能的發展將受到限制。

語音和視覺感知技術已隨深度學習的發展變得成熟，但無線感知技術仍有很大的發展空間。

類比于機器人技術，經過幾十年的發展才達到今天的水平；而泛在無線感知技術，僅有十多年的發展歷程，這意味著它仍需要時間來進一步成熟。

張大慶教授表示，隨著Wi-Fi感知標準IEEE 802.11bf的制定和預計中的明年出臺，以及計劃2030年推出6G感知標準，這兩個標準的出現將推動泛在無線感知技術的廣泛應用。

從現在與企業合作的項目中可以窺見到一些具體的應用場景：

• 比如在你睡覺時候，你的手機就可以監測你的呼吸心率、睡眠情況；
• 在空巢老人的各個房間檢測老人是否跌倒；
• 輔助駕駛時判斷駕駛員是否疲勞，是否有兒童或者寵物被忘記在車內。
• 廚房里的家用電器揮揮手就可以非觸碰控制；
• 空調、風扇能自動感知房間人數和位置，實時調控風速和風向。

無線感知除了帶來便利和智能化的體驗外，還有著天然不可比擬的優勢：

一是成本低。僅利用每天上網用的Wi-Fi、4G、5G信號和設備就可以實現，而且像Wi-Fi、毫米波芯片成本也就只在幾十元、甚至幾元以下。一旦技術成熟，直接可以應用落地。

二是隱私安全問題較小。像臥室、衛生間、還有汽車座艙這種私密空間，傳統視覺感知（如攝像頭）會涉及到嚴重的個人隱私問題，但無線電磁波信號因分辨率低就天然不能對人清晰成像。

過去十年中，張大慶教授團隊對無線感知領域進行了廣泛而深入的探索。

一方面，他們與企業合作落地了一系列無線感知成果，如生命體征監測、睡眠質量監測、存在監測，甚至行為識別。

另一方面，還將研究范圍從Wi-Fi感知擴展到了毫米波、UWB、LoRa、4G、5G、聲波等多種無線信號的感知技術。

據了解，張大慶教授團隊是唯一一個對各種泛在無線信號進行感知研究的團隊。通過深入理解各種無線信號的特性，如頻段、帶寬和波形，可以探究其感知優勢和能力邊界。

像頻率低的無線信號，比如Wi-Fi，穿透能力很強；但像毫米波雷達、太赫茲信號，就很難穿墻感知。

而只有從理論上深刻理解這些信號，才能更好地進行實踐和應用。

比如，無線感知在應用中面臨著系統穩定性的挑戰。當感知對象、收發設備位置、應用環境等發生變化時，系統性能會受到嚴重影響。尤其是人體活動的位置和朝向變化時，接收到的信號模式也會不一致，導致系統無法穩定工作。

以往的研究未從理論上解釋以及實際解決這一問題。

張大慶團隊提出了菲涅爾區反射和衍射模型，精確定量刻畫了目標物體相對于收發設備的位置、運動速度、軌跡和無線信號變化模式之間的關系。

（菲涅爾區，是源自光學理論中的一個概念，指以收發信號的設備（這項研究中指Wi-Fi信號發射和接收器）兩點為焦點的一系列同心橢圓。）

以細粒度的呼吸檢測和粗粒度的人體活動識別這兩個應用實例為例，團隊在菲涅爾區模型的基礎之上，分別解釋了系統不能穩定工作的原因，相同的行為為何得到不一致的信號波形，以及不同的行為為何得到類似的信號波形的現象，并給出了提升感知系統性能的方法。

從無線感知到量子無線感知

Wi-Fi、5G、LoRa等泛在無線信號都展示了非接觸感知的可能性，這使無線感知的各種實際應用成為可能。但由于射頻硬件熱噪聲等限制，基于泛在無線信號接收設備的感知粒度仍非常有限。

比如Wi-Fi感知雖然能感應到手部手勢（手部厘米級移動）和呼吸頻率（胸部毫米級位移），但像人的心臟跳動這種亞毫米級別的感知仍然存在困難。

張大慶團隊將目光轉向了量子原理，對量子無線感知進行了初步探索。

他們發現，量子技術目前主要聚焦在量子計算、量子通信兩個領域，而量子感知除了早年在原子鐘、原子磁力儀等取得的基于量子分立特性的代表性成果，基于量子干涉和糾纏等原理的量子感知還處在探索階段。

尤其在量子電磁感知探測方面，尚未形成系統性和實用性成果。

去年10月，團隊的張扶桑和合作者發表在Mobicom 2023的論文中，實現了國際上首個基于“里德堡”原子的量子無線非接觸震動感知原型系統，其性能超越了毫米波雷達感知一個數量級。

量子接收器主要是基于“里德堡原子”的性質設計而成，其基本原理是原子中的電子在特定能級受到給定頻率的電磁波影響時，會被激發到不同的能級，從而可以檢測相應頻率的射頻信號。

比如，接收到2.4GHz的Wi-Fi信號，電子會從能級66D5/2躍遷到67P3/2。不同能級的電子躍遷對應著不同頻率的電磁信號。

在量子物理中，具備高能級電子（即20級以上）的原子被稱為里德堡原子。

為了產生里德堡原子，團隊制作了一個2.5厘米長、充滿銫原子的蒸氣容器作為量子接收器。

當控制激光束穿過充滿銫原子的蒸氣容器時，銫原子外層的電子會被激發到高能級的里德堡狀態。

當某個目標在特定電磁環境移動時，它會影響射頻信號的傳播，導致信號強度的變化，這些變化在量子接收器上會導致激光光譜峰發生劈裂，并可以通過光電探測器來測量。

具體而言，當特定頻率的射頻信號被特定能級的里德堡原子感知到時，里德堡原子的能級狀態會發生變化，并被準確探測到。

有趣的是，由接收射頻信號引起的激光光譜峰劈裂與射頻信號強度之間并非是單純的線性關系。上述觀察啟發團隊引入一個參考射頻信號，來獲得一個初始劈裂，從而使接收射頻信號可以引起的峰值劈裂變化量變得更大，相應地，感知粒度得到更加顯著的提高。

實驗結果表明，團隊提出的量子無線感知系統可以將感知粒度比毫米波感知系統提高10倍以上。

通過進一步同Wi-Fi、毫米波感知系統進行對比，團隊發現量子無線感知具有下面兩個重要優勢：

1、實現更精細的感知粒度。

在Wi-Fi頻段下使用量子接收器進行信號接收，感知粒度可從3毫米提升至0.1毫米，使用毫米波信號的感知粒度可以進一步推進到微米級，均帶來質的飛躍。

2、可接收各種不同頻率的射頻信號。

傳統射頻接收器只能用于接收發射器發出特定頻率范圍內的信號。不同頻段的收發設備需要的天線設計也不相同，以便能高效接收不同頻率的信號。

但在量子無線感知中，量子接收器可以通過簡單地激發電子到不同能級，來接收和探測不同頻率的射頻信號。

目前張大慶團隊成功驗證了量子無線感知的可行性，接下來他們計劃去增強接收信號的帶寬，并降低感知的系統成本。

“當不去刻意關注它時，它就會無所不在了”

在被問到無線感知領域什么時候能像大模型這樣受到廣泛關注和認可的階段時，張大慶結合自身科研經歷表示：

我自己從事科研數十年，回顧這么多年的經歷，我發現人們在遇到一項有前景的新技術，特別是那些看似神奇的技術時，起初的期望往往很高。當期望過高時，人們常常很快會因為進展不如預期而感到失望。

就像現在的大模型，人們寄予了極高的希望。但兩三年后，相信這股熱潮肯定會降溫。因為人們投入了大量的資金和精力，卻發現這些技術并沒有給人類社會帶來預期中的巨大變化，他們的熱情自然會減退。

但如果再等5到10年，就會發現大模型能應用的領域很多很廣，它們確實漸漸改變了我們的生活。

無線感知也會經歷類似的過程。

同樣類似的還有他在2000年時研究的藍牙技術，當時大家對它期望特別高，認為肯定會廣泛應用于各種耳機和設備互聯。

直到2010年之前的十年里，藍牙的普及并不理想，原因一是成本太高，二則是使用體驗尚不夠好。但現在許許多多的設備互聯都在使用藍牙技術。

當你不再刻意關注它的時候，它就會變得無處不在，大家也都習以為常了。

張大慶教授表示，目前當務之急就是先將無線感知技術應用到一些實際場景中，展示它的實用性，并在一些行業中逐步推廣。

到了6G時代，估計在2030年左右，日常生活中會有許多的無線感知應用，你都會覺得是理所當然的。

比如在家里，揮一揮手就能控制家電設備，你的手機一直在隔空監測著你的呼吸和心跳。