Ricocheting radiobølger overvåger de mindste bevægelser i et rum

Lettelse kan være i horisonten for enhver, der nogensinde har hoppet rundt i et rum som en jack-in-the-box for at få bevægelsesfølende lys til at tænde igen, takket være en ny bevægelsessensor baseret på metamaterialer, der er følsom nok til at overvåge en persons vejrtrækning.

I et par nye undersøgelser, forskere fra Duke University og Institut Langevin, Frankrig, har vist, at mønstre lavet af radiobølger kan registrere en persons tilstedeværelse og placering hvor som helst inde i et rum.

Resultaterne dukkede op for nylig i Videnskabelige rapporter og 6. august i Fysisk gennemgangsbreve .

Denne nye bevægelsesfølende teknologi kan føre til nye smarte hjemmeenheder til energibesparelser, sikkerhed, sundhedsvæsen og spil.

"Energiselskaber elsker ikke infrarøde bevægelsesdetektorer, fordi de har mange problemer, " sagde David R. Smith, James B. Duke professor i elektro- og computerteknik ved Duke. "Mængden af ​​plads, de kan dække, er begrænset, en person skal være inden for deres synslinje for at blive opdaget, og sikkert har alle haft den oplevelse, hvor lyset er gået ud, fordi de har siddet stille for længe. Radiobølger kan omgå alle disse begrænsninger."

I deres første papir offentliggjort tidligere i år, forskerne udnyttede mønstre skabt af radiobølger, der hoppede rundt i et rum og forstyrrede dem selv. Disse unikke mønstre ændres med den mindste forstyrrelse af rummets genstande, gør det muligt for en følsom antenne at registrere, når noget bevæger sig ind eller kommer ind i rummet. Og ved at sammenligne, hvordan disse mønstre ændrer sig over tid, de kan også bruges til at registrere cykliske bevægelser som f.eks. en blæservinge, der drejer - eller endda en person, der trækker vejret.

I den seneste avis, holdet viser, at med lidt træning, systemet kan også udtrække information, der er nødvendig for at lokalisere objekter eller personer i et rum. Demonstrationssystemet blev undervist i mønsteret af radiobølger spredt af en trekantet blok placeret i 23 forskellige positioner på et gulv. Denne kalibrering er ikke kun nok til at skelne mellem de lærte 23 scenarier, men også at skelne mellem positionerne af tre identiske blokke placeret i en af ​​1, 771 mulige konfigurationer.

Teknologien virker ved at udnytte den måde, radiobølger opfører sig på i et lukket rum. Deres evne til kontinuerligt at reflektere fra flere overflader skaber komplekse interferensmønstre i et rum. I fortiden, denne kompleksitet har været en hindring for systemer, der forsøger at lokalisere oprindelsen af ​​et signal. Men Smith og hans kolleger har nu vist, at den samme kompleksitet kan udnyttes til at registrere bevægelse og lokalisere genstande i et rum.

"Kompleksiteten af ​​den måde, radiobølger hopper rundt i et rum og forstyrrer sig selv på, skaber en slags fingeraftryk, " forklarede Philipp del Houghne, en forsker på besøg i Smiths laboratorium fra Institut Langevin i Paris, Frankrig. "Og hver gang en genstand i et rum bevæger sig, selv en lille smule, det fingeraftryk ændrer sig."

Udfordringen ligger i at finde den mest effektive måde at farve det fingeraftryk på. Det kræver meget information, del Houghne forklarede, og der er flere traditionelle måder, det kan gøres på, men de har alle ulemper.

Et stort antal antenner kan installeres mange steder rundt i et rum for at tage flere målinger, men dette ville være dyrt og ubelejligt. En anden taktik ville være at måle mange forskellige frekvenser, som hver enkelt hopper rundt i et rum på en unik måde. Denne tilgang, imidlertid, vil sandsynligvis skabe interferens med andre radiobølgesignaler som Wi-Fi og Bluetooth, der fungerer i et rum.

Forskernes løsning er dynamisk at styre formen af ​​bølgerne ved hjælp af metamaterialer - kunstige materialer, der manipulerer bølger som lys og lyd gennem egenskaber af deres struktur. En flad-panel metamateriale-antenne kan forme bølger til vilkårlige konfigurationer og skabe mange forskellige bølgefronter i hurtig rækkefølge.

"Det er lige meget, hvad de særlige bølgeformer er, " sagde Smith. "Så længe de er forskellige, Detektoren vil opfange nok forskellige mønstre til at afgøre, om noget er der, og hvor det er."

"Der er andre teknologier, der kunne opnå lignende bølgefrontsformningsevner, men de er meget dyrere både i omkostninger og energiforbrug, " sagde Mohammadreza Imani, en postdoc i Smiths laboratorium, som også arbejdede på papirerne. "Undersøgelser har vist, at evnen til at justere et rums temperatur, når folk forlader og kommer tilbage, kan reducere strømforbruget med omkring 30 procent. Men hvis du forsøger at spare energi ved at bruge mere energi på at ændre antennemønsteret, så hjælper du ikke."

Og energibesparelser er måske kun toppen af ​​isbjerget. Evnen til at tælle antallet af personer i et rum, skelne kropspositioner og overvåge vejrtrækningsmønstre har også potentielle anvendelser inden for sikkerhed, sundhedsvæsen og spil.

De franske videnskabsmænd på projektet har oprettet en relateret startup-virksomhed kaldet Greenerwave.

"Mens vi bestemt stadig fortsætter med energivinklen, vi vil også se, hvor forskningen fører os hen, " sagde Smith.