毫無(wú)疑問，具身智能已成為時(shí)下最流行的技術(shù)趨勢(shì)之一。

但相較于人類基礎(chǔ)能力，如大腦、耳目和四肢的協(xié)同，機(jī)器人執(zhí)行物理任務(wù)時(shí)仍然顯得笨拙。

△來(lái)源量子位智庫(kù)《中國(guó)AIGC產(chǎn)業(yè)全景報(bào)告》

如何讓機(jī)器人更靈活的「動(dòng)」起來(lái)？

作為一切行為的起點(diǎn)，感知系統(tǒng)就顯得尤為關(guān)鍵。

除了傳統(tǒng)的視覺聽覺，北京大學(xué)張大慶教授提供了一種新的思路：

無(wú)線感知。

通過WiFi、5G這樣的無(wú)線信號(hào)來(lái)隔墻感知，感知精度甚至能達(dá)到毫米級(jí)，彌補(bǔ)了攝像頭等設(shè)備感知范圍的局限。而且硬件設(shè)備隨處可見，就是手機(jī)也行，附加成本可基本忽略不計(jì)。

之后讓機(jī)器人全方位輔助老年人的生活，可能也將成為現(xiàn)實(shí)~

而且隨著6G時(shí)代的到來(lái)，我們?nèi)粘５氖謾C(jī)終端也許就能隔空感知人體的呼吸心跳。

誰(shuí)是張大慶？

作為國(guó)際上最早從事智能感知的華人科學(xué)家，他已在情境感知領(lǐng)域深耕二十余年，他許多的學(xué)生已成為這一領(lǐng)域國(guó)內(nèi)中青年領(lǐng)軍人才。目前張大慶擔(dān)任北大講席教授、歐洲科學(xué)院院士。

過去十年他們?cè)诶碚撋辖议_了泛在無(wú)線感知的密碼，也率先全面利用各種無(wú)線信號(hào)探索感知邊界并開始在醫(yī)療、康養(yǎng)、安防等行業(yè)開展應(yīng)用，如今他們又開辟了更前沿的研究方向：

量子無(wú)線感知。

無(wú)線感知現(xiàn)在發(fā)展到什么階段？如何成為具身智能“第六感官”？量子無(wú)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(chǔ)是對(duì)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(fā)展將受到限制。

語(yǔ)音和視覺感知技術(shù)已隨深度學(xué)習(xí)的發(fā)展變得成熟，但無(wú)線感知技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間。

類比于機(jī)器人技術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展才達(dá)到今天的水平；而泛在無(wú)線感知技術(shù)，僅有十多年的發(fā)展歷程，這意味著它仍需要時(shí)間來(lái)進(jìn)一步成熟。

張大慶教授表示，隨著Wi-Fi感知標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11bf的制定和預(yù)計(jì)中的明年出臺(tái)，以及計(jì)劃2030年推出6G感知標(biāo)準(zhǔn)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)將推動(dòng)泛在無(wú)線感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

從現(xiàn)在與企業(yè)合作的項(xiàng)目中可以窺見到一些具體的應(yīng)用場(chǎng)景：

• 比如在你睡覺時(shí)候，你的手機(jī)就可以監(jiān)測(cè)你的呼吸心率、睡眠情況；
• 在空巢老人的各個(gè)房間檢測(cè)老人是否跌倒；
• 輔助駕駛時(shí)判斷駕駛員是否疲勞，是否有兒童或者寵物被忘記在車內(nèi)。
• 廚房里的家用電器揮揮手就可以非觸碰控制；
• 空調(diào)、風(fēng)扇能自動(dòng)感知房間人數(shù)和位置，實(shí)時(shí)調(diào)控風(fēng)速和風(fēng)向。

……

無(wú)線感知除了帶來(lái)便利和智能化的體驗(yàn)外，還有著天然不可比擬的優(yōu)勢(shì)：

一是成本低。僅利用每天上網(wǎng)用的Wi-Fi、4G、5G信號(hào)和設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)，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(shù)成熟，直接可以應(yīng)用落地。

二是隱私安全問題較小。像臥室、衛(wèi)生間、還有汽車座艙這種私密空間，傳統(tǒng)視覺感知（如攝像頭）會(huì)涉及到嚴(yán)重的個(gè)人隱私問題，但無(wú)線電磁波信號(hào)因分辨率低就天然不能對(duì)人清晰成像。

過去十年中，張大慶教授團(tuán)隊(duì)對(duì)無(wú)線感知領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛而深入的探索。

一方面，他們與企業(yè)合作落地了一系列無(wú)線感知成果，如生命體征監(jiān)測(cè)、睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)、存在監(jiān)測(cè)，甚至行為識(shí)別。

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

據(jù)了解，張大慶教授團(tuán)隊(duì)是唯一一個(gè)對(duì)各種泛在無(wú)線信號(hào)進(jìn)行感知研究的團(tuán)隊(duì)。通過深入理解各種無(wú)線信號(hào)的特性，如頻段、帶寬和波形，可以探究其感知優(yōu)勢(shì)和能力邊界。

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

而只有從理論上深刻理解這些信號(hào)，才能更好地進(jìn)行實(shí)踐和應(yīng)用。

比如，無(wú)線感知在應(yīng)用中面臨著系統(tǒng)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。當(dāng)感知對(duì)象、收發(fā)設(shè)備位置、應(yīng)用環(huán)境等發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。尤其是人體活動(dòng)的位置和朝向變化時(shí)，接收到的信號(hào)模式也會(huì)不一致，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定工作。

以往的研究未從理論上解釋以及實(shí)際解決這一問題。

張大慶團(tuán)隊(duì)提出了菲涅爾區(qū)反射和衍射模型，精確定量刻畫了目標(biāo)物體相對(duì)于收發(fā)設(shè)備的位置、運(yùn)動(dòng)速度、軌跡和無(wú)線信號(hào)變化模式之間的關(guān)系。

（菲涅爾區(qū)，是源自光學(xué)理論中的一個(gè)概念，指以收發(fā)信號(hào)的設(shè)備（這項(xiàng)研究中指Wi-Fi信號(hào)發(fā)射和接收器）兩點(diǎn)為焦點(diǎn)的一系列同心橢圓。）

以細(xì)粒度的呼吸檢測(cè)和粗粒度的人體活動(dòng)識(shí)別這兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例為例，團(tuán)隊(duì)在菲涅爾區(qū)模型的基礎(chǔ)之上，分別解釋了系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作的原因，相同的行為為何得到不一致的信號(hào)波形，以及不同的行為為何得到類似的信號(hào)波形的現(xiàn)象，并給出了提升感知系統(tǒng)性能的方法。

從無(wú)線感知到量子無(wú)線感知

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

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

張大慶團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向了量子原理，對(duì)量子無(wú)線感知進(jìn)行了初步探索。

他們發(fā)現(xiàn)，量子技術(shù)目前主要聚焦在量子計(jì)算、量子通信兩個(gè)領(lǐng)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(cè)方面，尚未形成系統(tǒng)性和實(shí)用性成果。

去年10月，團(tuán)隊(duì)的張扶桑和合作者發(fā)表在Mobicom 2023的論文中，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首個(gè)基于“里德堡”原子的量子無(wú)線非接觸震動(dòng)感知原型系統(tǒng)，其性能超越了毫米波雷達(dá)感知一個(gè)數(shù)量級(jí)。

量子接收器主要是基于“里德堡原子”的性質(zhì)設(shè)計(jì)而成，其基本原理是原子中的電子在特定能級(jí)受到給定頻率的電磁波影響時(shí)，會(huì)被激發(fā)到不同的能級(jí)，從而可以檢測(cè)相應(yīng)頻率的射頻信號(hào)。

比如，接收到2.4GHz的Wi-Fi信號(hào)，電子會(huì)從能級(jí)66D5/2躍遷到67P3/2。不同能級(jí)的電子躍遷對(duì)應(yīng)著不同頻率的電磁信號(hào)。

在量子物理中，具備高能級(jí)電子（即20級(jí)以上）的原子被稱為里德堡原子。

為了產(chǎn)生里德堡原子，團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)2.5厘米長(zhǎng)、充滿銫原子的蒸氣容器作為量子接收器。

當(dāng)控制激光束穿過充滿銫原子的蒸氣容器時(shí)，銫原子外層的電子會(huì)被激發(fā)到高能級(jí)的里德堡狀態(tài)。

當(dāng)某個(gè)目標(biāo)在特定電磁環(huán)境移動(dòng)時(shí)，它會(huì)影響射頻信號(hào)的傳播，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度的變化，這些變化在量子接收器上會(huì)導(dǎo)致激光光譜峰發(fā)生劈裂，并可以通過光電探測(cè)器來(lái)測(cè)量。

具體而言，當(dāng)特定頻率的射頻信號(hào)被特定能級(jí)的里德堡原子感知到時(shí)，里德堡原子的能級(jí)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，并被準(zhǔn)確探測(cè)到。

有趣的是，由接收射頻信號(hào)引起的激光光譜峰劈裂與射頻信號(hào)強(qiáng)度之間并非是單純的線性關(guān)系。上述觀察啟發(fā)團(tuán)隊(duì)引入一個(gè)參考射頻信號(hào)，來(lái)獲得一個(gè)初始劈裂，從而使接收射頻信號(hào)可以引起的峰值劈裂變化量變得更大，相應(yīng)地，感知粒度得到更加顯著的提高。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，團(tuán)隊(duì)提出的量子無(wú)線感知系統(tǒng)可以將感知粒度比毫米波感知系統(tǒng)提高10倍以上。

通過進(jìn)一步同Wi-Fi、毫米波感知系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)量子無(wú)線感知具有下面兩個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：

1、實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的感知粒度。

在Wi-Fi頻段下使用量子接收器進(jìn)行信號(hào)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(hào)的感知粒度可以進(jìn)一步推進(jìn)到微米級(jí)，均帶來(lái)質(zhì)的飛躍。

2、可接收各種不同頻率的射頻信號(hào)。

傳統(tǒng)射頻接收器只能用于接收發(fā)射器發(fā)出特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。不同頻段的收發(fā)設(shè)備需要的天線設(shè)計(jì)也不相同，以便能高效接收不同頻率的信號(hào)。

但在量子無(wú)線感知中，量子接收器可以通過簡(jiǎn)單地激發(fā)電子到不同能級(jí)，來(lái)接收和探測(cè)不同頻率的射頻信號(hào)。

目前張大慶團(tuán)隊(duì)成功驗(yàn)證了量子無(wú)線感知的可行性，接下來(lái)他們計(jì)劃去增強(qiáng)接收信號(hào)的帶寬，并降低感知的系統(tǒng)成本。

“當(dāng)不去刻意關(guān)注它時(shí)，它就會(huì)無(wú)所不在了”

在被問到無(wú)線感知領(lǐng)域什么時(shí)候能像大模型這樣受到廣泛關(guān)注和認(rèn)可的階段時(shí)，張大慶結(jié)合自身科研經(jīng)歷表示：

我自己從事科研數(shù)十年，回顧這么多年的經(jīng)歷，我發(fā)現(xiàn)人們?cè)谟龅揭豁?xiàng)有前景的新技術(shù)，特別是那些看似神奇的技術(shù)時(shí)，起初的期望往往很高。當(dāng)期望過高時(shí)，人們常常很快會(huì)因?yàn)檫M(jìn)展不如預(yù)期而感到失望。

就像現(xiàn)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(huì)降溫。因?yàn)槿藗兺度肓舜罅康馁Y金和精力，卻發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)并沒有給人類社會(huì)帶來(lái)預(yù)期中的巨大變化，他們的熱情自然會(huì)減退。

但如果再等5到10年，就會(huì)發(fā)現(xiàn)大模型能應(yīng)用的領(lǐng)域很多很廣，它們確實(shí)漸漸改變了我們的生活。

無(wú)線感知也會(huì)經(jīng)歷類似的過程。

同樣類似的還有他在2000年時(shí)研究的藍(lán)牙技術(shù)，當(dāng)時(shí)大家對(duì)它期望特別高，認(rèn)為肯定會(huì)廣泛應(yīng)用于各種耳機(jī)和設(shè)備互聯(lián)。

直到2010年之前的十年里，藍(lán)牙的普及并不理想，原因一是成本太高，二則是使用體驗(yàn)尚不夠好。但現(xiàn)在許許多多的設(shè)備互聯(lián)都在使用藍(lán)牙技術(shù)。

當(dāng)你不再刻意關(guān)注它的時(shí)候，它就會(huì)變得無(wú)處不在，大家也都習(xí)以為常了。

張大慶教授表示，目前當(dāng)務(wù)之急就是先將無(wú)線感知技術(shù)應(yīng)用到一些實(shí)際場(chǎng)景中，展示它的實(shí)用性，并在一些行業(yè)中逐步推廣。

到了6G時(shí)代，估計(jì)在2030年左右，日常生活中會(huì)有許多的無(wú)線感知應(yīng)用，你都會(huì)覺得是理所當(dāng)然的。

比如在家里，揮一揮手就能控制家電設(shè)備，你的手機(jī)一直在隔空監(jiān)測(cè)著你的呼吸和心跳。