走路传感器 「物理揭秘」你每天走了 计步器怎么知道我们走了多少步呢？

「物理揭秘」你每天走了 计步器怎么知道我们走了多少步呢？

计步器怎么知道我们走了多少步呢？

如今，每个人都非常关注健康。而运动正是健康最重要的手段。不管是出门佩戴手环、计步器，还是拿手机，记录自己行走的步数，已经是很多人的生活习惯了。可是，计步器到底是怎么工作的呢？是怎么知道我们每天走了多少步的呢？

中国电子科学研究院工程师廖勇：“最开始的计步器是机械式的，原理其实很简单，就跟摆锤一样的。因为人在走路的时候是会把那个摆锤带着在动，它动一下基本上就是人在走一步，然后摆锤动一下，和金属接触通电，就记了一步。”

原来，计步器是依靠摆锤与金属的接触，才能记录我们的步数，可是现在流行的智能手环和手机里的计步软件也是这个原理吗？

中国电子科学研究院工程师廖勇：“现在的手机手环里面，它一般是用一个非常小的芯片，叫三轴加速度传感器，通过这个传感器可以测量手机或者是手环在三个不同的方向上的加速度，然后通过这个加速度的值进行一些算法的运算，然后统计就可以知道大概可以测出来走路的步数。”

那么这种传感器是怎么知道我们走路的步数的呢？

中国电子科学研究院工程师廖勇：“有一种特殊的材料，叫压电陶瓷材料，根据作用在上面的力的大小产生不同的形变，就可以产生不同的电压的变化，就可以通过作用在上面的力来测量出加速度，然后通过加速度能够判断出这个人是走路的时候，他是在哪个方向进行运动，或者说频率大概是多少。”

可是，如果用手摇晃手机，也会产生加速度，这个传感器是怎么分辨手晃和走路的区别的呢？

中国电子科学研究院工程师廖勇：“人走路的时候，频率一定是在某一个范围之内的，比方说一秒钟跨出多少步，或者说一分钟只能走出多远。如果人的手拿着手机在晃的话，第一个晃的频率会非常的快，第二个拿着手机晃的时候，加速度变化是比人在走路的加速度变化要大的多的，基本上通过这两个方面，能够判断出来到底是人拿着手机在晃，还是真正的一个人在走。”

其实计步功能只是加速度传感器的一部分应用。在车辆安全、桥梁健康等方面，加速度传感器都有着非常重要的作用。

中国电子科学研究院工程师廖勇：“车上的安全气囊为什么会弹起来，车开到一定的速度之上然后突然停下来，安全气囊就会弹出来，实际上是有一个加速度传感器在测量车在前进的方向负加速度，或者说从很快的速度突然变得停下来，一个量的变化，来判断说现在应不应该把安全气囊弹出来。

加速度传感器另外一个可以应用的地方是桥梁的一些健康的监测，因为桥梁虽然看起来是硬的，实际上是会有一些形变的，可以有些变化，但是每个桥梁的变化它不能以某一个频率来发生这种振动，因为它如果是产生跟这个桥梁的固有频率产生共振，会对桥梁的结构健康产生影响。

所以就可以在桥梁地面上，设置一些加速度传感器来测量桥梁的振动，然后能够判断出振动是不是在可以允许的范围之内的。”

传感器技术与计算机技术，通信技术并称为现代信息技术的三大支柱。航天运载火箭上，采用的传感器达2000多个；一架民航客机所用的传感器也有上千个。可以说，任何自动控制装置和系统都离不开传感器技术。

(来源:科普中国)

20米开外,听脚步声认人？根据走路姿势认人的脚步传感器，厉害了

每个人的走路姿势都是独一无二的（图片来源：pexels)

许多机器可以通过指纹或面部特征来识别人类，但是这些生物特征并非仅有的区分依据。每个人的走路姿势都是独一无二的，而且除了可以用于身份识别外，走路姿势也可以用来暗示情绪和健康状况。一组研究人员已经开发出了一种通过测量微小地面震动来分析脚步的远程传感器。他们使用这种震动来识别走进大楼的人，并且测试一种非接触的健康监测新方法。

人走路的方式“类似一种独一无二的个人符号，像指纹一样”，Hae Young Noh说道。Noh最初是以卡内基梅隆大学土木与环境工程师的身份开展这一研究，如今他加入了斯坦福大学。人的脚步透露了“这个人的身份、所处位置、正在做的事情甚至是认知状态 ”。如果硬件传感器能够探测到一个人的脚步特征，那么软件就能加以分析从而确认这个人的身份。未参与这项最新研究的雪城大学电子工程与计算机教授Vir Phoha称，类似的系统采用这种方法已经可以实现95%的准确度。

走路姿势也不仅仅是简单的身份证明。“你可以从一个人的走路姿势里了解到很多信息，具体来说包括与健康有关的信息。”Phoha说。举个例子，如果一个人走路一边轻一边重，那么这种不平衡可能预示有神经性疾病。这类信息可以帮助医生监测想要独立生活的老年人和其他高风险病患 ：通过追踪行走特征对患者进行非直接接触式的健康监测。

为了监测到这种信息丰富的特征，研究者们一开始不得不给受试者们配备可穿戴装置，或者让他们走在特殊的垫子或改造过的地板上。但是Noh、卡内基梅隆大学电子与计算机工程师Pei Zhang以及他们的同事决定开发可以远程工作的脚步传感器。普通的墙和地板能够捕捉到其所在空间中任何活动所引起的微小震动，科学家们就是利用了这一现象。“我们称之为‘建筑传感器 ’，即利用大楼和桥梁这类大型实体建筑作为传感系统来间接地监测人和周围环境。”Noh说道。

检测仅仅由脚步引起的震动需要非常灵敏的传感器。“我们的传感器有多灵敏呢，可以这么说，如果你坐在椅子上，我们把传感器放在一米远的地上，”Zhang说，“我们可以检测到你的心跳。”每个传感器都是高约几厘米的圆柱体仪器，Noh说把它们放在地上可以收集到远至20米的行人信息 。研究者们在他们想要检测脚步的地方把传感器排成一个阵列。但是在人流密集的建筑里，这些灵敏的传感器会收集到更多信息。因此，研究团队需要“教会”这个新系统如何从背景噪声中辨别脚步信号。

Noh说“滤除噪声是最大的挑战”，克服这一困难需要同时在硬件和软件上下功夫。在硬件端，每个传感器都有一个放大器，可以自动改变其需要增强的脚步信号数量。如果一个人像是从远处走来，那么放大器就会将脚步声放大。随着脚步信号变强并有可能使传感器失效，放大器会降低其灵敏度。Noh将此过程比作远程控制扬声器的音量：收听者远离扬声器的时候会将音量开大以听得更清楚，但是当他们走近的时候，这个音量就太大了，他们会调小音量。

一旦传感器捕捉到脚步信号，软件就会对其进行处理。“我们采用了各种信号处理和机器学习技术来识别哪些是与人有关的信号，哪些是我们不感兴趣的噪声。”Noh说。和其他采用脚步探测方法（比如使用可穿戴设备或压力毯）所获得的数据一样，采用传感器测得的走路姿势可以被用来确定个人身份和一些可能存在的健康问题。该研究团队已经在一些会议和研讨会上展示了他们所做的工作，其中最近一次是2月的实验力学学会国际模态分析会议。

这种依靠电脑显示器实时显示行人走路姿势的方法让一名研究者想到了一种更加奇妙的设备。英特尔公司新兴物联网网络的总工程师与主任Eve Schooler说她对开发科技版本的“活点地图”很感兴趣。活点地图是《哈利波特》小说与电影中带有魔法的建筑平面图，可以“通过脚印显示出人们所在的位置”。在现实生活中，这种设备或许能够实时追踪建筑中的人或其他目标。受Schooler建议的启发，卡内基梅隆大学的研究团队更新了他们的产品，设计了一块像魔法地图一样的数字显示器，能够显示一个楼层平面的脚印。

Schooler指出，小说中的活点地图只能用于霍格沃茨魔法学校这一个地方，但是科学家发明的便携式脚步传感器可以用在任何地方 。“他们开发的一些算法让整个系统有很强的可移植性，这正是令人感兴趣的地方。”她说，“使用者不需要通过校准来分辨整幢大楼里的人，他们的技术可以直接完成这些工作。”一旦实验系统“习得”了一个人的脚步特征，传感器阵列就能在办公室或家中识别出这个人。鉴于这一设备的价格是可以接受的（Noh估计每一个传感器的生产成本在10到20美元之间），同时每隔20米放一个传感器就能够绘制出整层楼的图像，因此Schooler提议的广泛应用似乎是可能的。

这种传感器的监测能力很明显会引起关于隐私的争议，而且研究者们建议他们的技术只能用于取得双方同意的医疗保障方面。他们指出，这种监测系统可以帮助看护人员知道老年病患何时可能会摔倒，或者帮助儿童医院尽快发现如肌肉萎缩症等慢性疾病的症状。在这些应用场景下，研究者们认为脚步传感器对隐私的保护比还能拍摄图像信息的照相机要更好。“实际上这一系统的研发也是因为其他类型的监测机制对隐私的保护不够好。”Zhang说。同时在与医疗相关的场景中，他补充道：“我很乐意牺牲一点我的隐私数据来避免摔倒和发现疾病。”

作者：Sophie Bushwick

翻译：常灏杰

审校：曾小欢

引进来源：科学美国人

本文来自：环球科学

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