北大张大庆教授：无线感知赋予具身智能“第六感官”，6G时代手机隔空测心跳

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杨净 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

毫无疑问，具身智能已成为时下最流行的技术趋势之一。

但相较于人类基础能力，如大脑、耳目和四肢的协同，机器人执行物理任务时仍然显得笨拙。

△来源量子位智库《中国AIGC产业全景报告》

如何让机器人更灵活的「动」起来？

作为一切行为的起点，感知系统就显得尤为关键。

除了传统的视觉听觉，北京大学张大庆教授提供了一种新的思路：

无线感知。

通过WiFi、5G这样的无线信号来隔墙感知，感知精度甚至能达到毫米级，弥补了摄像头等设备感知范围的局限。而且硬件设备随处可见，就是手机也行，附加成本可基本忽略不计。

之后让机器人全方位辅助老年人的生活，可能也将成为现实~

而且随着6G时代的到来，我们日常的手机终端也许就能隔空感知人体的呼吸心跳。

谁是张大庆？

作为国际上最早从事智能感知的华人科学家，他已在情境感知领域深耕二十余年，他许多的学生已成为这一领域国内中青年领军人才。目前张大庆担任北大讲席教授、欧洲科学院院士。

过去十年他们在理论上揭开了泛在无线感知的密码，也率先全面利用各种无线信号探索感知边界并开始在医疗、康养、安防等行业开展应用，如今他们又开辟了更前沿的研究方向：

量子无线感知。

无线感知现在发展到什么阶段？如何成为具身智能“第六感官”？量子无线感知又是什么？量子位同张大庆教授聊了聊。

探索具身智能的“第六感官”

具身智能的基础是对物理世界的感知，张大庆坦言，如果感知的维度和精度不够，那么具身智能的发展将受到限制。

语音和视觉感知技术已随深度学习的发展变得成熟，但无线感知技术仍有很大的发展空间。

类比于机器人技术，经过几十年的发展才达到今天的水平；而泛在无线感知技术，仅有十多年的发展历程，这意味着它仍需要时间来进一步成熟。

张大庆教授表示，随着Wi-Fi感知标准IEEE 802.11bf的制定和预计中的明年出台，以及计划2030年推出6G感知标准，这两个标准的出现将推动泛在无线感知技术的广泛应用。

从现在与企业合作的项目中可以窥见到一些具体的应用场景：

比如在你睡觉时候，你的手机就可以监测你的呼吸心率、睡眠情况； 在空巢老人的各个房间检测老人是否跌倒； 辅助驾驶时判断驾驶员是否疲劳，是否有儿童或者宠物被忘记在车内。 厨房里的家用电器挥挥手就可以非触碰控制； 空调、风扇能自动感知房间人数和位置，实时调控风速和风向。

……

无线感知除了带来便利和智能化的体验外，还有着天然不可比拟的优势：

一是成本低。仅利用每天上网用的Wi-Fi、4G、5G信号和设备就可以实现，而且像Wi-Fi、毫米波芯片成本也就只在几十元、甚至几元以下。一旦技术成熟，直接可以应用落地。

二是隐私安全问题较小。像卧室、卫生间、还有汽车座舱这种私密空间，传统视觉感知（如摄像头）会涉及到严重的个人隐私问题，但无线电磁波信号因分辨率低就天然不能对人清晰成像。

过去十年中，张大庆教授团队对无线感知领域进行了广泛而深入的探索。

一方面，他们与企业合作落地了一系列无线感知成果，如生命体征监测、睡眠质量监测、存在监测，甚至行为识别。

另一方面，还将研究范围从Wi-Fi感知扩展到了毫米波、UWB、LoRa、4G、5G、声波等多种无线信号的感知技术。

据了解，张大庆教授团队是唯一一个对各种泛在无线信号进行感知研究的团队。通过深入理解各种无线信号的特性，如频段、带宽和波形，可以探究其感知优势和能力边界。

像频率低的无线信号，比如Wi-Fi，穿透能力很强；但像毫米波雷达、太赫兹信号，就很难穿墙感知。

而只有从理论上深刻理解这些信号，才能更好地进行实践和应用。

比如，无线感知在应用中面临着系统稳定性的挑战。当感知对象、收发设备位置、应用环境等发生变化时，系统性能会受到严重影响。尤其是人体活动的位置和朝向变化时，接收到的信号模式也会不一致，导致系统无法稳定工作。

以往的研究未从理论上解释以及实际解决这一问题。

张大庆团队提出了菲涅尔区反射和衍射模型，精确定量刻画了目标物体相对于收发设备的位置、运动速度、轨迹和无线信号变化模式之间的关系。

（菲涅尔区，是源自光学理论中的一个概念，指以收发信号的设备（这项研究中指Wi-Fi信号发射和接收器）两点为焦点的一系列同心椭圆。）

以细粒度的呼吸检测和粗粒度的人体活动识别这两个应用实例为例，团队在菲涅尔区模型的基础之上，分别解释了系统不能稳定工作的原因，相同的行为为何得到不一致的信号波形，以及不同的行为为何得到类似的信号波形的现象，并给出了提升感知系统性能的方法。

从无线感知到量子无线感知

Wi-Fi、5G、LoRa等泛在无线信号都展示了非接触感知的可能性，这使无线感知的各种实际应用成为可能。但由于射频硬件热噪声等限制，基于泛在无线信号接收设备的感知粒度仍非常有限。

比如Wi-Fi感知虽然能感应到手部手势（手部厘米级移动）和呼吸频率（胸部毫米级位移），但像人的心脏跳动这种亚毫米级别的感知仍然存在困难。

张大庆团队将目光转向了量子原理，对量子无线感知进行了初步探索。

他们发现，量子技术目前主要聚焦在量子计算、量子通信两个领域，而量子感知除了早年在原子钟、原子磁力仪等取得的基于量子分立特性的代表性成果，基于量子干涉和纠缠等原理的量子感知还处在探索阶段。

尤其在量子电磁感知探测方面，尚未形成系统性和实用性成果。

去年10月，团队的张扶桑和合作者发表在Mobicom 2023的论文中，实现了国际上首个基于“里德堡”原子的量子无线非接触震动感知原型系统，其性能超越了毫米波雷达感知一个数量级。

量子接收器主要是基于“里德堡原子”的性质设计而成，其基本原理是原子中的电子在特定能级受到给定频率的电磁波影响时，会被激发到不同的能级，从而可以检测相应频率的射频信号。

比如，接收到2.4GHz的Wi-Fi信号，电子会从能级66D5/2跃迁到67P3/2。不同能级的电子跃迁对应着不同频率的电磁信号。

在量子物理中，具备高能级电子（即20级以上）的原子被称为里德堡原子。

为了产生里德堡原子，团队制作了一个2.5厘米长、充满铯原子的蒸气容器作为量子接收器。

当控制激光束穿过充满铯原子的蒸气容器时，铯原子外层的电子会被激发到高能级的里德堡状态。

当某个目标在特定电磁环境移动时，它会影响射频信号的传播，导致信号强度的变化，这些变化在量子接收器上会导致激光光谱峰发生劈裂，并可以通过光电探测器来测量。

具体而言，当特定频率的射频信号被特定能级的里德堡原子感知到时，里德堡原子的能级状态会发生变化，并被准确探测到。

有趣的是，由接收射频信号引起的激光光谱峰劈裂与射频信号强度之间并非是单纯的线性关系。上述观察启发团队引入一个参考射频信号，来获得一个初始劈裂，从而使接收射频信号可以引起的峰值劈裂变化量变得更大，相应地，感知粒度得到更加显著的提高。

实验结果表明，团队提出的量子无线感知系统可以将感知粒度比毫米波感知系统提高10倍以上。

通过进一步同Wi-Fi、毫米波感知系统进行对比，团队发现量子无线感知具有下面两个重要优势：

1、实现更精细的感知粒度。

在Wi-Fi频段下使用量子接收器进行信号接收，感知粒度可从3毫米提升至0.1毫米，使用毫米波信号的感知粒度可以进一步推进到微米级，均带来质的飞跃。

2、可接收各种不同频率的射频信号。

传统射频接收器只能用于接收发射器发出特定频率范围内的信号。不同频段的收发设备需要的天线设计也不相同，以便能高效接收不同频率的信号。

但在量子无线感知中，量子接收器可以通过简单地激发电子到不同能级，来接收和探测不同频率的射频信号。

目前张大庆团队成功验证了量子无线感知的可行性，接下来他们计划去增强接收信号的带宽，并降低感知的系统成本。

“当不去刻意关注它时，它就会无所不在了”

在被问到无线感知领域什么时候能像大模型这样受到广泛关注和认可的阶段时，张大庆结合自身科研经历表示：

我自己从事科研数十年，回顾这么多年的经历，我发现人们在遇到一项有前景的新技术，特别是那些看似神奇的技术时，起初的期望往往很高。当期望过高时，人们常常很快会因为进展不如预期而感到失望。

就像现在的大模型，人们寄予了极高的希望。但两三年后，相信这股热潮肯定会降温。因为人们投入了大量的资金和精力，却发现这些技术并没有给人类社会带来预期中的巨大变化，他们的热情自然会减退。

但如果再等5到10年，就会发现大模型能应用的领域很多很广，它们确实渐渐改变了我们的生活。

无线感知也会经历类似的过程。

同样类似的还有他在2000年时研究的蓝牙技术，当时大家对它期望特别高，认为肯定会广泛应用于各种耳机和设备互联。

直到2010年之前的十年里，蓝牙的普及并不理想，原因一是成本太高，二则是使用体验尚不够好。但现在许许多多的设备互联都在使用蓝牙技术。

当你不再刻意关注它的时候，它就会变得无处不在，大家也都习以为常了。

张大庆教授表示，目前当务之急就是先将无线感知技术应用到一些实际场景中，展示它的实用性，并在一些行业中逐步推广。

到了6G时代，估计在2030年左右，日常生活中会有许多的无线感知应用，你都会觉得是理所当然的。

比如在家里，挥一挥手就能控制家电设备，你的手机一直在隔空监测着你的呼吸和心跳。

— 完—

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