感知不一样的世界

　　无论是什么样的可穿戴设备，都必须具备一个基本的组件，那就是传感器。而作为感知信号的载体，这类设备的种类正在极大丰富起来。 　　传感器在工业领域早已拥有悠久的应用历史，随着智能手机开始大范围普及，传感器开始走入普通用户的视线。我们常见的传感器包括麦克风、摄像头、陀螺仪、电子罗盘、光线传感器和GPS等等。这些传感器已经能够给我们提供众多的信息，如我们的位置、速度等等。但是新一代的智能可穿戴设备只有这些传感器还远远不够。各种特殊类型的传感器能够带来与众不同的信号信息，而这些信息则能够让智能可穿戴设备提供很多前所未见的特性。而本文就将为大家一些与众不同的传感器，它们中有很多已经应用到了一些雏形的设备中，有些则还只是实验室的原型，但它们都可能会给智能可穿戴设备带来新的未来。 　　接触传感器 　　肌肉传感器 　　我们的大脑需要执行一些动作时，就会发信号给肌肉，而肌肉在进行相应的动作时就会产生电信号，这个电信号的强度要高于脑部的电信号，因此也比脑部信号更容易捕捉。这使得使用传感器收集这些肌肉发出的电信号成为可能。手部是人类运动频率最高的部位，从手的动作中能够分析出更多的信息。因此肌肉传感器最先产品化的就是无线臂带，如最近刚刚上市的MYO。这种传感器通常需要成组使用，比如无线臂带通常一圈都需要配备传感器，因为一个手指动作往往会牵动多组肌肉运动，因此传感器需要综合分析每块肌肉的动作，才能准确判断出用户最终的手部动作是什么。 　　皮肤传感器 　　皮肤传感器可以将人体皮肤的某个区域变成一个“触摸屏”。这种传感器所采用的技术类似波震动传导能量的原理，当我们点击身体的皮肤时，使用高速摄像机进行拍摄，并对拍摄的画面进行慢动作回放，这时可以看到点击皮肤的能量像水波一样向周围扩散和传导。而使用震动传感器分析这些皮肤震动时可以发现，点击手臂皮肤不同的位置时，返回的震动波是不同的，通过特殊的算法进行分析，即可对点击的位置进行定位，点击位置间距超过10mm左右通常即可正确辨别。将该传感器与投影机配合，我们就可以将身体的某个部位变成触摸屏了。 　　压力亮度传感器 　　这种像薄膜一样的传感器由加州大学伯克利分校的研发团队发明，该团队制作了一种超薄的16×16像素的屏幕。 　　具体的制作过程是，在硅片之上固化一层塑料，然后再覆盖一层电子元器件，再把塑料从硅基上剥离。最后的塑料膜的每一像素区内会各含一个晶体管、一个LED 以及压力传感器。 　　只要触摸到这种超薄屏幕，它就会发光。如果按压力度再大一点则亮度还会加大。这种成本低廉的超薄传感器有很多潜在应用场景，例如用于交互式壁纸、用来包裹腕表或者做成创意纹身等。 　　纹身传感器 　　纹身这个名词似乎怎么也无法与传感器扯上关系，事实上我们这里介绍的纹身传感器也并不是特指某一种传感器的类型，而是指一种传感器安装和使用的方式。纹身传感器使用透明薄膜贴在皮肤上。它集成了各种传感器，通过扁平的线圈从外界特定设备发射出来的磁场中获取电力，并借助这些电能发送传感器获取到的数据信号。 　　体液传感器 　　人体本身是一个复杂的化学体，汗液等分泌物可以传达各种化学信息。目前使用这些化学信息的例子是Pixie Scientific公司的智能尿布，这种尿布背面有一个二维码，二维码的周围一圈是尿液测试条，用于提取尿布吸收区域的尿液样本。每当婴儿尿尿的时候，将会触发该测试条，并使二维码周围的颜色发生变化。这样就可以跟踪婴儿的健康状况了。 　　心脏传感器 　　斯坦福大学开发出了一种新型传感器，可以大大提高心脏监测的精度和实用性。它可以像一个创可贴一样贴在手腕上。研究人员利用一种可压缩的橡胶覆盖薄膜“建成”了宽只有几微米的微小金字塔形区域。施加压力时，金字塔略有变形，这会导致在设备中的电磁场和电流的流动发生可衡量的变化，而脉搏导致的皮肤微小变化刚好可以被其侦测到。 　　舌头传感器 　　严格来说，舌头传感器其实是一组光学传感器，它们的工作原理与传统手机上使用的光学传感器十分类似，都是感应前方光线的变化。所不同的是，舌头传感器通常至少是4个为一组，它们通过一个牙套被固定在口腔中（前后左右各一个）。传感器通过配合工作来检测舌头到特定位置的距离，进而可以将动舌头的行为翻译成某种动作意图。 　　非接触传感器 　　深度传感器 　　所谓深度传感器其实就是能够拍摄下物体3D信息的影像传感器，例如目前大红大紫的Kinect体感模块中就包含了深度传感器。利用这种传感器我们能够实现很多交互功能，例如识别人的动作、判断人的身份信息等。但是Kinect由于是专为游戏机所设计，因此其深度传感器的精度很差，且只适合获取1m～3m范围内物体的信息。而微软还在开发新一代的深度传感器，它能在0.3m～0.5m的距离内工作，能够获得大约640×480的高精度深度信息，这意味着我们可以坐在屏幕前挥舞双手对PC进行控制。而在体积上，新的深度信息摄像头与目前普通的摄像头尺寸相仿，在结构上它也没有采用过多的特殊部件。 　　激光传感器 　　微软亚洲研究院的研究员们曾开发出一种称为移动三维交互场的技术。这种技术利用了激光投影机的工作原理。激光投影机的成像方式类似传统的CRT显示器，它会逐行将要显示的图像投射到幕布上。将其与摄像头配合使用，将可以得到激光扫描过的每一条线，当投射区域中有物体时，线被阻断的图像就会被拍摄下来，通过将这些图像进行对比和拼接，即可获得进入投影区物体的大小、形状甚至与摄像头的距离。借助投影画面和感应信息，我们能实现很多有趣的应用，如在投影区域中可以在不同高度的纸板上投影不同的内容。 　　红外线测距传感器 　　已经上市几年的虚拟激光键盘就是激光传感器应用的典型案例。红外线测距传感器的工作原理就是打出一个红外线光照平面，当这个平面中有物体出现时，会遮挡这个平面的某个部分，进而可以让传感器获得物体的形状与距离。例如虚拟激光键盘会投影出一个键盘区域，当点击区域中的某个按键时，与键盘区域平行的传感器区域就可以判断出手指的位置，并最终转换成按键信息。 　　酒精传感器 　　酒精传感器是另外一个化学传感器应用的例子，这种传感器能够根据人呼出口气中的化学成分来判断其血液中的酒精浓度。原理上讲它与交警们使用的查酒驾的设备工作原理类似。所不同的是这种设备的体积更小，可以集成到我们的智能手机等设备中，给出用户酒精含量超标的提示，或者与汽车钥匙捆绑，禁止酒精含量超标的车主启动车辆。 　　触屏传感器 　　这种传感器由微型投影机和深度传感器组合而成（例如Kinect）。这个组合可以摆放在任何一个平面前，比如架在我们的肩上，将内容投射到我们的手掌上。深度信息传感器能够准确地获取我们面前平面的角度、尺寸和外轮廓。它可以将这些信息发送给投影机，并让投影机调整投影画面外形，使其能在这个平面上投出理想地的画面。同时深度信息传感器还能识别画面中的各种物体动作，比如两指的开合。 　　输出传感器 　　隐形眼镜传感器 　　这同样是一个输出型的传感器，目前有众多企业和研究机构在研究这种传感器，例如韩国蔚山国家科学技术学院的研发人员开发出了透明、高导且具有弹性的石墨烯银纳米导线，可以有效地降低电阻（从每平方50Ω降低到每平方米33Ω），提高导电效率，而且透光度达到了94%。最终他们成功地在普通的软性隐形眼镜表层加入了发光二极管（LED），使隐形眼镜也可以显示图像。当然这种隐形眼镜中只集成了发光模块和线圈，隐形眼镜的供电和显示控制还需要通过无线的方式完成，例如带一个眼镜框，在眼镜框上装上无线供电线圈。 　　震动网格传感器 　　对于智能可穿戴设备而言，不仅需要获取人们身上的各种信息，同时还要把信息输出出来，除了显示出来之外，最传统的方法当属震动提示了。而与智能手机和各种震动腕带所提供的简单震动提示不同，震动传感器在组合成网格化的结构后，还能传达更多的信息。例如ARAIG马甲在正面和背面分别排布着16个震动传感器，在手臂上共有8个传感器，它们可以结合游戏的场景挤压玩家的胸部和腹部肌肉，模拟出中弹的效果。类似地，为了给触摸屏加入类似物理键盘的点击感，有些技术开始尝试在屏幕的4角加入震动传感器，借助它们的组合震动模拟按键按下的感觉。 　　热量供电传感器 　　除了依靠压力变化发电外，利用人体热量同样可以发电，例如有的热电传感器采用“塞贝克效应”，借助人体与室温的热量差异，让某些特定结构的材料被加热或者降温而产生电能。一种典型的结构材料是包含着聚合物膜的两个半导体，当它受热时能够产生电能。类似的思路还有华为公司设计的手机芯片中的一种传感器，当它吸收周围处理器芯片散发出的热量后，其内部结构中会产生震荡，而这种震荡可以被转换成电能。 　　压力供电传感器 　　传感器未必都用来感知信息，它们甚至还会把人体变为能量提供源。英国沃达丰手机公司和南安普敦大学合作研制了一种用于充电的传感器，该传感器采用压力和热电技术，它装配有类似泡沫的铁电驻极体材料，伴随着穿着者的移动，铁电驻极体材料被挤压而变形，从而开始采集人体动能。这些泡沫类型的材料包含着许多孔隙，随着孔隙体积的变化，其表面能够充入电能。 　　维他命传感器 　　严格地讲，这个传感器并不获取信号，主要功能是对外发射信号。这个传感器由摩托罗拉研发，外形类似一个维他命药丸。当有人把药丸服下之后，胃酸就会作为电解液来给药丸中的芯片供电。而芯片中的频率开关会不断向外发射18 bit的信号。这时整个人体实际上就变成了一个用于网络银行登录的移动证书（如U盾）。因为人是导体，所以这个时候用户只需要触碰一下手机或者电脑，就可以将验证信息发送过去，账号登录的工作也就自动完成了。