北京大学的张大庆教授表示：无线感知技术为实体智能系统带来了如同“第六感”的新能力，在6G时代，手机将能够实现隔空测量心跳的功能。

编辑日期：2024年08月24日

只需挥一挥手就能掌控家用电器。

毫无疑问，具身智能已成为当今最炙手可热的技术潮流之一。

然而，尽管如此，在执行物理任务时，机器人相比人类的基本能力（例如大脑、感官和四肢的协作）仍显得相当笨拙。

北京大学的张大庆教授表示：无线感知技术为

为了让机器人更加灵活，感知系统的提升至关重要。

除了传统的视觉与听觉感知，北京大学张大庆教授提出了一种新颖的概念：

无线感知。

利用Wi-Fi、5G等无线信号进行隔墙感知，其精度可以达到毫米级别，从而弥补了传统摄像头等设备在感知范围上的局限性。此外，由于这些硬件设备几乎无处不在，即便是智能手机也能胜任这项功能，因此额外的成本几乎可以忽略。

未来，机器人或许能全方位地辅助老年人的生活。

并且，随着6G时代的来临，我们的日常手机终端可能将能够实现远距离感知人体的呼吸与心跳。

张大庆是谁？

作为国际上最早涉足智能感知领域的华人科学家之一，张大庆教授已经在情境感知领域深耕超过二十年。他的许多学生已经成为该领域内的中青年领军人物。目前，张大庆担任北京大学讲席教授及欧洲科学院院士。

北京大学的张大庆教授表示：无线感知技术为

在过去十年里，他的团队不仅从理论上揭示了泛在无线感知的秘密，还率先全面利用各种无线信号探索感知的边界，并在医疗、养老、安全等领域开展了实际应用。如今，他们正致力于一个更为前沿的研究方向：

量子无线感知。

探索具身智能的“第六感”

具身智能的核心在于对物理世界的感知能力，张大庆教授指出，如果感知的维度和精度不足，具身智能的发展将会受到制约。

虽然语音和视觉感知技术已经随着深度学习的进步而变得成熟，但无线感知技术仍然具有巨大的发展潜力。

类比于机器人技术，经过几十年的发展才达到今天的水平；而泛在无线感知技术，仅有十多年的发展历程，这意味着它仍需要时间来进一步成熟。张大庆教授表示，随着Wi-Fi感知标准IEEE 802.11bf的制定和预计中的明年出台，以及计划2030年推出6G感知标准，这两个标准的出现将推动泛在无线感知技术的广泛应用。

从现在与企业合作的项目中可以窥见到一些具体的应用场景：

无线感知除了带来便利和智能化的体验外，还有着天然不可比拟的优势：

一是成本低。仅利用每天上网用的Wi-Fi、4G、5G信号和设备就可以实现，而且像Wi-Fi、毫米波芯片成本也就只在几十元、甚至几元以下。一旦技术成熟，直接可以应用落地。

二是隐私安全问题较小。像卧室、卫生间、还有汽车座舱这种私密空间，传统视觉感知（如摄像头）会涉及到严重的个人隐私问题，但无线电磁波信号因分辨率低就天然不能对人清晰成像。

过去十年中，张大庆教授团队对无线感知领域进行了广泛而深入的探索。

一方面，他们与企业合作落地了一系列无线感知成果，如生命体征监测、睡眠质量监测、存在监测，甚至行为识别。

另一方面，还将研究范围从Wi-Fi感知扩展到了毫米波、UWB、LoRa、4G、5G、声波等多种无线信号的感知技术。

据了解，张大庆教授团队是唯一一个对各种泛在无线信号进行感知研究的团队。通过深入理解各种无线信号的特性，如频段、带宽和波形，可以探究其感知优势和能力边界。

像频率低的无线信号，比如Wi-Fi，穿透能力很强；但像毫米波雷达、太赫兹信号，就很难穿墙感知。

而只有从理论上深刻理解这些信号，才能更好地进行实践和应用。

比如，无线感知在应用中面临着系统稳定性的挑战。当感知对象、收发设备位置、应用环境等发生变化时，系统性能会受到严重影响。尤其是人体活动的位置和朝向变化时，接收到的信号模式也会不一致，导致系统无法稳定工作。

以往的研究未能从理论上解释或实际上解决这一问题。张大庆和他的团队提出了一种菲涅尔区域反射与衍射模型，精确地量化了目标物体相对于发射和接收设备的位置、运动速度、轨迹与无线信号的变化模式之间的关联。

（菲涅尔区域是一个源自光学理论的概念，指的是以信号发射和接收设备为焦点的一系列同心椭圆。）

以细粒度呼吸监测和粗粒度人体活动识别为例，该团队基于菲涅尔区域模型，解释了系统无法稳定运行的原因，相同行为为何会产生不同的信号波形，以及不同行为为何会得到相似信号波形的问题，并提出了提高感知系统性能的方法。

从无线感知到量子无线感知

Wi-Fi、5G、LoRa等普遍存在的无线信号显示出了非接触式感知的可能性，使得无线感知在各种实际场景中的应用成为现实。然而，由于射频硬件热噪声等限制因素，基于这些无线信号接收设备的感知精度仍然十分有限。

例如，尽管Wi-Fi感知可以检测到手部手势（手部移动几厘米）和呼吸频率（胸部微小位移），但对于心脏跳动这样亚毫米级别的微小动作，仍然难以实现准确感知。

张大庆团队将研究方向转向量子原理，对量子无线感知进行了初步探索。

他们发现，当前量子技术主要集中在量子计算和量子通信两大领域，而在量子感知方面，除了早期在原子钟、原子磁力计等领域利用量子分立特性取得的一些标志性成果外，基于量子干涉和量子纠缠原理的量子感知仍处于探索阶段。

特别是在量子电磁感知探测方面，尚未形成系统性和实用性的研究成果。

北京大学的张大庆教授表示，无线感知技术取得了重要进展。去年10月，由团队成员张扶桑等人合作发表在Mobicom 2023的一篇论文中，他们实现了国际上首个基于“里德堡”原子的量子无线非接触震动感知原型系统，该系统的性能相较于毫米波雷达感知提升了超过一个数量级。

这一量子接收器的设计主要基于“里德堡原子”的特性。其工作原理是当原子中的电子受到特定频率的电磁波作用时，会从一个能级跃迁到另一个能级，这样就可以检测到相应频率的射频信号。例如，当接收到2.4GHz的Wi-Fi信号时，电子会从能级66D5/2跃迁至67P3/2。不同频率的电磁信号会引发不同能级之间的电子跃迁。

在量子物理学中，拥有高能级电子（通常指20级以上）的原子被称为里德堡原子。为了生成里德堡原子，研究团队制作了一个含有铯原子的2.5厘米长蒸气容器作为量子接收器。当控制激光束通过这个装有铯原子的容器时，铯原子的外层电子会被激发进入高能级的里德堡状态。

当某个物体在特定的电磁环境中移动时，它会影响到射频信号的传播路径，导致信号强度发生变化。这些变化会在量子接收器上表现为激光光谱峰的分裂现象，可以通过光电探测器进行测量。具体来说，当特定频率的射频信号被特定能级的里德堡原子所感知时，会改变里德堡原子的能级状态，这一变化可以被精确地探测到。

北京大学的张大庆教授指出，无线感知技术为相关领域带来了新的可能性。

有趣的是，接收射频信号导致的激光光谱峰分裂与射频信号强度之间的关系并非简单的线性关系。基于这一观察，研究团队引入了一个参考射频信号以获取初步的分裂值，进而使接收射频信号引发的峰值分裂变化更大，从而显著提高了感知精度。

实验结果显示，该团队研发的量子无线感知系统能够将感知精度较毫米波感知系统提高十倍以上。

进一步与Wi-Fi及毫米波感知系统对比后，研究团队发现量子无线感知具备以下两大显著优势：

更精细的感知精度：利用量子接收器在Wi-Fi频段接收信号时，感知精度可以从3毫米提升至0.1毫米；采用毫米波信号时，感知精度甚至可以达到微米级别，实现了质的飞跃。
兼容多种射频信号频率：传统射频接收器仅能接收特定频率范围内的信号，而不同频段的收发设备需要不同的天线设计以确保高效接收不同频率的信号。相比之下，在量子无线感知系统中，量子接收器只需简单地激发电子至不同能级即可接收和探测不同频率的射频信号。

张大庆的团队已经成功验证了量子无线感知技术的可行性，下一步计划提高接收信号的带宽并降低成本。他提到：“当你不再特别关注它时，这项技术就会融入生活的方方面面。”

谈及无线感知何时能像大型模型那样获得广泛关注与认可时，张大庆根据自己的科研经验表示：

我从事科研工作已有数十年，回顾这段历程，我发现人们对前景看好的新技术，尤其是那些看起来非常神奇的技术，最初总是抱有过高的期待。然而，一旦进展不如预期，人们的期望很快就转变为失望。

如今对于大型模型也有着极高的期望值。不过，在未来的两三年内，这种热潮可能会逐渐消退。因为尽管投入了大量的资金和努力，但这些技术并未如人们所愿地给社会带来巨大的变革，因此热情会随之减淡。

但是，再过5到10年，我们会发现大型模型的应用范围极其广泛，它们正悄无声息地改变着我们的生活方式。

无线感知技术也将经历相似的过程。

他还提到了自己在2000年研究过的蓝牙技术，当时人们对它寄予厚望，认为它将在耳机和其他设备连接方面广泛应用。

但在接下来的十年里，蓝牙技术的普及并不尽如人意，主要原因是成本高昂以及用户体验不佳。然而，现在蓝牙已成为众多设备互联的标准技术。

当你不再特别注意它时，这项技术就已经成为日常生活的一部分，人们也习惯了它的存在。

张大庆教授指出，当前最紧迫的任务是将无线感知技术应用于实际场景中，展示其实用性，并在特定行业中逐步推广。

预计到6G时代，即大约2030年前后，无线感知技术将在日常生活中得到广泛应用，成为人们习以为常的一部分。

例如，在家中，只需挥手就能控制家电；手机可以远程监测你的呼吸和心跳。