MIT教授：能够识别人体的AI“穿墙术”，究竟是如何完成的？

药明康德AI/报道

之前我们曾经报道过一项重磅研究：MIT计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的Dina Katabi教授及其研究团队能够使用AI技术，来感知墙壁另一端人的姿势和动作。而这项研究的背后又有着哪些故事呢？让我们一起来看看。

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演讲实录

当我还是个孩子的时候，就像这个房间里的许多人一样，我对“星球大战”非常着迷，最让我着迷的是“原力”的概念，它连接所有人和所有物体，甚至允许你感觉到看不到的人。我记得很多个夜晚，我坐在家里，只是集中注意力，集中注意力，试图感受到原力，我没有任何感觉，不用担心（笑）。

在长大以后，我成了一名科学家，加入麻省理工学院，开始研究无线信号，类似Wi-Fi或蜂窝系统。我在这个领域做了很多工作。但是，这个原力的概念一直在我脑海中，突然有一瞬间，我想到了“等一下，这些无线信号——它们就像原力一样！”

因此，如果你想一想，无线信号，它们能穿越太空，穿过障碍物，墙壁和遮挡物，其中一些被我们的身体反射出来。因为我们的身体充满了水，它会产生一些微小的反射。如果我有一个可以感知这些微小反射的设备，那么我将能够感受到无法看到的人。所以我开始和我的学生一起构建这样的设备，我想向你们展示一些早期的结果。

这里，你看到我的学生在站着，这是我们的设备。我们将把设备放在墙后的另一个办公室，我们将监测他的移动。这个红点正在使用无线信号跟踪他。正如您所看到的，红点正在非常准确地跟踪他的动作，纯粹基于他的身体与无线信号之间的相互作用。很准确，不是吗？他身上没有可穿戴设备，没有任何跟踪他的东西。

现在你可能想知道，我们怎样才能不通过任何可穿戴设备，隔着墙壁，就可以感知人类并跟踪他们。最容易想到的是雷达。我相信很多人都看过这张照片。你向天空发射无线信号，它们从飞机上反射回来，然后回到你身边，你就可以探测这些飞机。

但如果只是雷达，那么我们在50年前就已经实现这一目标。所以这不仅仅是雷达，它与雷达有两个关键的区别。第一个区别当然是：你不能像雷达一样，只是向某人发射无线电波。如果这样做就像把他们放在微波炉里面，不要那样做。因此，这意味着必须能够发射非常微弱的信号，所以设备必须非常敏感。第二个区别是：天空中没有其它东西，如果你运气好的话，你可以在那里找到一架飞机。看看这个房间，看看有多少物品和人。所以在室内环境中，信号不只是从人身上反射出来，如果反射从人身上，到地板，到天花板，再到周围的其他人，你会得到非常复杂的反射信号，一个信号从我身上反射出来，到你，然后到天花板，然后到地板。你必须解决这种混乱。

但我们很幸运。我们在正确的时间来做这件事。有两件事帮助了我们。首先是无线电技术已经发展了很久，在过去十年中，无线电技术变得更加强大，因此我们能够构建非常灵敏的无线电，可以感知微弱和微小的射频信号。

第二件事是：机器学习。你经常听到机器学习，最近在深度学习中出现了机器学习的革命，这使我们能够构建能理解并且注释无线信号的机器学习模型，了解环境中发生了什么。因此，你可以这么想，收音机就像我们设备的耳朵，机器学习就像大脑，它们共同构成一个非常强大的设备。

那么我们还能用无线信号感受到人们的哪些方面呢？睡觉。实际上，睡眠对我来说是非常珍贵的，因为我的睡眠是一场灾难。

所以说，是当你开始研究某些生理信号时，你发现你的情况很糟糕。

因此，你可以看到为什么我们可以捕捉睡眠。因为当一个人睡觉时，我们看作他在床上运动，当他在床上不动，当他从床上爬起来，对睡眠的记录使用的是腕动计。它的工作原理基于运动。但事实证明，我们实际上可以在更重要的层面了解睡眠。我们可以了解睡眠期间发生的脑电波的变化。

因此，你们中的许多人可能都知道，当进入睡眠状态时，我们的脑波会发生变化，我们会进入不同的阶段：清醒，轻度睡眠，深度睡眠和快速眼动，又叫做快速的眼球运动期。这些阶段与睡眠障碍有关，但它们也与各种疾病有关。例如，REM的紊乱与抑郁有关。深度睡眠的紊乱与阿兹海默病有关。因此，如果你想要了解各个睡眠阶段，目前要把这个人送到医院，把所有这些电极接在头上，然后让他这样睡觉。

这真不是一个愉快的经历。

那么，如果我告诉你我们可以完成同样的事情，但不需要没有任何电极接在人体上呢？这是我们的设备，传输极低功率的无线信号，使用AI分析反射并输出整个晚上的睡眠阶段。所以我们知道，例如说这个人什么时候做梦。不仅如此......我们甚至可以在你坐着的时候监测呼吸，而不会触碰你。所以这个人坐着读书，这是他的吸气，呼气。我们让他屏住呼吸，你看到信号保持稳定，因为他在呼气。他没有吸气。我想放大信号。这与以前的信号相同。这些是吸气，这些是呼气。你看到信号上的这些信号？这些不是噪音。而是他的心跳。而且你可以看到它们的节拍。

我想在这里停下来，给你一个现场演示。Zach将协助我完成演示，我们将使用这个设备监控Zach的呼吸。你在这里看到的这个白色盒子就是设备，Zach正在打开它……我看到他呼吸均匀。因此，我们将完全按照在视频中的操作，无线信号正在通过，触及Zach的身体，并且反射回设备，我们想监视他的呼吸，他的吸气——呼气运动。我们看到吸气，呼气——这些跌宕起伏是Zach的呼吸。吸气，呼气。

所以，他可以呼吸。

Zach，你能屏住呼吸吗？

好吧，现在他屏住呼吸了，所以你看到信号保持稳定，这些都是他的心跳。一拍，一拍，一拍，一拍，一拍。

好的，Zach，你可以再次呼吸了。

我们不想在这里发生意外。

好的谢谢。

正如你所看到的，这个设备可以监控这么多的生理信号，真正有趣的是，它没有任何可穿戴设备，没有要求人改变他的行为或穿任何东西。不会收取任何特殊费用。这让医生非常兴奋，因为医生们总是希望了解更多有关患者的信息，尤其是慢性疾病患者在家中的信息，如肺部疾病COPD，或心力衰竭、阿兹海默病、抑郁症。所有这些慢性病都非常重要。事实上——也许你知道——美国三分之二的医疗保健费用是由慢性病引起的。但是，慢性病的真正特别之处在于，当患者出现要去医院和急诊室的问题时，这个问题不会是在一夜之间发生的。实际上，事情是逐渐发生的。因此，如果我们能够监测家中的慢性病患者，检测到他们的呼吸，心跳，活动能力，睡眠状况的变化——我们就可以在急救发生之前发现问题并让医生提前介入，这样我们就可以避免住院治疗。

事实上，今天我们正在与不同科室的许多医生合作。所以我很兴奋，因为我们已经为许多患者提供了这个设备。我们已经给COPD患者（一种肺部疾病），阿兹海默病患者，抑郁和焦虑症患者，帕金森症患者使用了这个设备。我们正在与医生一起改善生活，更好地了解疾病。

因此，当我一开始告诉你的，我真的对星球大战和星球大战中的原力着迷，事实上，即使是现在，我作为一个成年人仍然非常着迷，在等待着下一部星球大战中的电影。但我现在非常着迷，并对这种新的无线信号能量，以及这种新能量改变医疗保健的潜力感到兴奋。

我们使用的患者之一是我的阿姨。她得了心脏衰竭，我相信观众中很多人都有父母，祖父母，患有慢性疾病的亲人。因此，我希望你想象一下，在每个有慢性疾病患者的家庭中，有这样一种设备待在后台，只是被动地监视睡眠，呼吸，这个慢性疾病患者的健康，在发生急救之前，它就会检测到生理信号的恶化并提醒医生，使我们可以避免住院治疗。这可以改变我们今天对医疗保健的认知，改善我们对慢性病的理解，并且能挽救许多生命。

▲Dina Katabi教授是麻省理工学院无线网络和移动计算中心的主任、美国国家工程院院士、也是麦克阿瑟奖获得者。她设计了一种新型无线设备，使用机器学习穿透墙壁感知人体特征。

参考资料：

A new way to monitor vital signs (that can see through walls). Retrieved Jul 2018，from https://www.ted.com/talks/dina_katabi_a_new_way_to_monitor_vital_signs_that_can_see_through_walls

注：图片来源TED视频

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