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指纹并不是能够区分不同个体的唯一生物特征。要知道，每个人的步态都是与众不同的，它不仅可作为情绪和健康的指标（indicator），还可以作为个人的识别特征（identifier）。目前，已经有科学家开发出通过测量地板微弱振动来分析步态特征的监测设备。利用这项技术，科学家不仅可以测试和验证一种非穿戴式的健康监测方法，还可以识别出在楼道中走动的人具体是谁。
卢海燕（Hae Young Noh）表示，每个人走路的方式体现出了“非常独特的个人特征”。卢海燕目前在斯坦福大学任教，开展这项研究时，她是卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University）土木和环境工程系的助理教授。美国雪城大学（Syracuse University）的电气工程师和计算机科学家维尔·弗阿（Vir Phoha，并未参与这项研究）说：“步态可以指示你是谁，你在哪里，你在做什么，甚至反映出你的认知状态。”如果硬件传感器监测到某种步伐模式，软件就可以对其进行分析，验证个人身份。在开发早期，这套系统的准确率就已经达到了95%。
步伐模式能够提供的，不仅仅是简单的身份信息，还有更多非常重要的信息。弗阿补充说：“你可以从一个人的步态中了解到很多信息，特别是与健康有关的信息。”例如，如果有人身体平衡发生变化，两侧体重不一致，这表明他的神经系统可能出现了问题。有了这些方法，医生可以更有效地监测老年人或其他想要独立生活的高危人群。在不直接影响监测对象生活空间的前提下，跟踪他们的步态可以密切关注个人的健康状况。以前研究人员必须给监测对象配备可穿戴设备，或让他们在特殊的垫子或经过改造的地板上行走，以此监测这些数据特征。但是，无论是卢海燕，还是卡耐基梅隆大学电气与计算机工程系的张培及其同事，都想研发一种便携式的遥控步伐传感器。为此，他们巧妙地利用了这样一种原理：不管是墙壁还是地板，都可以从其所在空间中接收到人类活动产生的微弱振动。卢海燕说：“我们把这称为‘结构传感器’。相当于我们将这些巨大的物理结构（比如建筑物和桥梁）用作传感系统，间接地监测人类和其周围的环境。”
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要想检测到脚步产生的震动，还需要灵敏度极高的探测器。张培说：“这个例子可以让你体会到传感器有多灵敏：你坐在一把椅子上，我们把传感器放在一米开外的地上，此时，我们仍然可以检测到你的心跳。”卢海燕表示，每个传感器都是几厘米高的圆柱形装置，放在地板上可以监测到20米以内的行人。研究人员可以在任何他们想要监测的区域布置这种传感器阵列。
不过，还有一点需要注意。研究小组必须首先“教会”新系统如何收集和分辨有用的信号，毕竟任何一座繁忙的建筑中都有大量背景音。“对抗噪音是我们面临的最大挑战。”卢海燕说，解决这个问题需要将硬件和软件这两方面结合起来。在硬件方面，每个传感器都配有放大器，可根据脚步振动的程度自动调整灵敏度。当振动来自更远的地方时，放大器就会调高灵敏度；当信号变强，有超过传感器感知范围的危险时，放大器则会调低灵敏度。
一旦传感器接收到相应的信号，接下来的工作就需要交给软件处理。卢海燕说：“我们尝试了各种信号处理和机器学习技术，希望以此分辨出哪些是与人类相关的信号，哪些是我们不感兴趣的噪音。”与通过其他监测方法（比如可穿戴设备或压力垫）得到的数据一样，新型传感器测量的行走模式可用来确定个人身份，发现潜在的健康问题。在今年2月的实验力学协会（Society for Experimental Mechanics）国际模态分析会议上，该团队展示了他们的研究成果。
这套系统能够在电脑显示器上实时显示步行者的行为，这不禁让研究人员联想到了“活点地图”（Marauder's Map）。那是一套来自《哈利·波特》（Harry Potter）的地图，打开后能够显示不同楼层的平面图。当然，最关键一点在于，它还能实时显示小说中不同人物所在的位置。英特尔新兴物联网主管、首席工程师伊芙·斯库勒（Eve Schooler，并未参与这项研究，但此前与研究人员有过合作）指出，尽管这张虚构地图只描绘了一个地点，但新型步伐传感器可运用于任何建筑。斯库勒说：“有趣的是，这些研究人员开发的算法使这套系统有很好的适应性。即便在不同的建筑中，你也无需预先校准人体在不同环境中产生的信号，一旦系统在初始环境中学会了如何抽提出所需的步态信号，就可以适应大量不同的环境。这个研究团队提供的技术已经可以为你做到这一点。”也就是说，一旦系统“学会”了个人的标志性步态，无论是在办公室还是在家里，传感器阵列都能有效地进行识别。
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对于设备的价格，卢海燕是这样估计的：每台设备的生产成本大约在10~20美元之间，如果需要布置传感器阵列创建整个楼层的图像，需要每隔20米放置一台设备。这样看来，成本确实不会太高，斯库勒提出广泛应用这套设备的想法，似乎是可行的。
值得注意的是，这种监控能力也引发了大家对隐私保护的关注。研究人员提出，当他们的技术应用于医疗保健时，应该是基于双方都同意的前提。他们指出，这种监测系统可以帮助护理人员了解老年人在何时可能会摔倒，还可以帮助儿童医院及早发现慢性疾病的症状，比如肌营养不良。研发人员认为，在很多情况下，步伐传感器比摄像机等设备更能保护个人的隐私。
“实际上，研发这套设备的初衷，就是因为其他类型的监控机制会带来隐私问题，”张培说，在健康面前，“我愿意牺牲一点个人数据，以此实现预防跌倒和检测疾病的目的。”
撰文：索菲·布什维克（Sophie Bushwick）
翻译：林清
文章来源：环球科学
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