許多機器可以透過指紋或面部特徵識別人類。然而，這些生物特徵並非是區分個體的唯一特徵。每個人的行走步態都是獨一無二的——它不僅可以作為身份識別，還可以作為情緒和健康的指標。一個研究團隊開發了遠端感測器，透過測量微小的地面振動來分析腳步。他們使用這項技術來識別在建築物中行走的特定人員，並測試了一種新的非接觸式健康監測方法。
最初在卡內基梅隆大學擔任土木與環境工程師，現已轉到斯坦福大學的Hae Young Noh說，你的走路方式“就像指紋一樣——就像你非常獨特的簽名”。步態可以揭示“你是誰，你在哪裡，你在做什麼型別的活動，甚至你的認知狀態”。如果硬體感測器檢測到腳步模式，軟體可以分析這些模式以驗證個人身份。雪城大學電氣工程與計算機科學教授Vir Phoha說，早期的系統已經實現了95%的準確率，他沒有參與這項新工作。
Phoha補充說，行走模式可以提供的不只是簡單的身份識別：“你可以從一個人的步態中學到很多資訊——特別是與健康相關的資訊。” 例如，如果有人開始將更多的重量放在一側，那麼平衡的變化可能表明存在神經系統問題。這些資訊可以幫助醫生監測希望獨立生活的老年人和其他高危人群：跟蹤受試者的步態可以在不直接侵犯他們空間的情況下掌握他們的健康狀況。
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為了測量這種資料豐富的簽名，研究人員以前必須為受試者配備可穿戴裝置，或讓他們在特殊的墊子或經過改造的地板上行走。但Noh以及卡內基梅隆大學的電氣和計算機工程師裴張和他們的同事希望開發可以遠端工作的行動式腳步感測器。科學家們利用了這樣一個事實，即典型的牆壁和地板會拾取空間內活動產生的甚至微弱的振動。“我們稱之為‘結構即感測器’，我們正在使用建築物和橋樑等大型物理結構作為感測系統，間接地監測人類和周圍環境，”Noh說。
感應來自僅僅一步的振動需要極其靈敏的探測器。“為了讓您瞭解我們的感測器有多靈敏：當您坐在離感測器一米遠的椅子上時，我們將感測器放在地面上，”張說，“我們可以感應到您的心跳。” 每個感測器——一個高几釐米的圓柱形裝置——放在地板上，可以監測最遠20米處的步行者，Noh說。研究人員可以將此類感測器作為陣列分佈在他們想要檢測腳步的區域。但首先，該團隊必須“教會”新系統區分這些訊號與任何繁忙建築物中聽到的背景聲音。
“消除噪音是我們面臨的最大挑戰，”Noh說，解決這個問題需要硬體和軟體解決方案。在硬體方面，每個感測器都有一個放大器，可以自動更改其增強腳步振動的程度。當振動似乎來自更遠的地方時，放大器會將其放大。隨著訊號變得更強並威脅到壓倒感測器，放大器會降低其靈敏度。Noh將此過程比作遠端控制揚聲器的音量：聽眾在較遠時會將其調大以聽得更清楚，但當他們靠近時，聲音變得太強烈，他們會調小音量。
一旦感測器拾取了腳步，軟體就會接管。“我們進行各種訊號處理和機器學習[技術]來學習什麼是與人類相關的訊號，什麼是我們不感興趣的其他噪音，”Noh說。與來自其他腳步檢測方法（例如可穿戴裝置或壓力墊）的資料一樣，使用新感測器測量的行走模式可用於確定個人身份和某些潛在的健康問題。該團隊已在多次會議和研討會上展示了他們的工作——最近一次是在2月份的實驗力學學會國際模態分析會議上。
該系統在計算機顯示器上即時顯示步行者行為的方式讓一位研究人員想到了更奇特的裝置。英特爾新興物聯網網路首席工程師兼主管Eve Schooler說，她有興趣建立技術版本的“活點地圖”——哈利·波特系列書籍和電影中的魔法樓層平面圖，它“使用腳步來直觀地描繪人們在哪裡”。在現實世界中，這樣的裝置可以即時跟蹤建築物的居住者和其他物體。Schooler沒有參與該專案，但之前曾與研究人員合作。受到Schooler的建議啟發，卡內基梅隆大學團隊製作了自己的迭代版本，建立了一個數字顯示屏，在樓層平面圖上顯示出腳印，外觀類似於魔法紙質地圖。
虛構的活點地圖只描繪了一個位置，但研究人員的行動式腳步感測器可以在任何建築物中使用，Schooler指出。“他們開發的一些演算法使結果具有可轉移性，這非常有趣，”她說。“您不必進行所有這些校準來弄清楚人們在不同建築物中的簽名——他們有技術為您做到這一點。” 一旦實驗系統“學習”了個人的簽名步態，感測器陣列就可以識別該個人，無論是在辦公室還是在家中。考慮到裝置的經濟性——Noh估計每個裝置的生產成本約為10到20美元——以及它們可以每20米放置一個以建立整個樓層的影像這一事實——Schooler指出的廣泛應用確實似乎是可能的。
進行此類監控的能力引發了明顯的隱私問題，研究人員建議他們的技術應僅用於經同意的醫療保健應用。他們指出，此類監控系統可以幫助需要知道老年人何時可能跌倒的護理人員。它們還可以儘早提醒或兒童醫院注意慢性疾病（如肌營養不良症）的症狀。開發者認為，在這些情況下，腳步感測器比攝像頭等也會捕獲視覺資訊的裝置更能保護隱私。“這[實際上]是因為對其他型別的監控機制的隱私擔憂而建立的，”張說。在與健康相關的場景中，他補充說，“我願意犧牲一點我的資料來預防跌倒和檢測疾病。”
本文的標題為“腳步間諜”的版本已改編為收錄在2020年7月刊的大眾科學雜誌中。