ACM通信
最后一个字节
从“空”空气中挖掘能量
图片来源:Tara Gimmer / Jeeva Wireless
无论你在世界的哪个地方，你都被信号包围着:Wi-Fi信号、蜂窝信号和其他射频(RF)信号已经在环境中了。你能用它们做些什么呢?这是ACM Grace Murray Hopper奖得主Shyam gollaktta——华盛顿大学Paul G. Allen计算机科学与工程学院的教授——着手研究的问题。这些问题的答案将他从无电源Wi-Fi带到一个小到可以戴在昆虫背上的跟踪传感器。在这里，他谈到了这项技术和它的许多应用。
环境后向散射利用大气中的无线信号发电并传输编码数据。你是如何开始研究它的?
通信是物联网设备中最大的耗电源。这是因为产生电磁信号的行为消耗了大量的电力。通过环境后向散射，设备通过反射环境中的环境信号来进行信息通信，而不是自己产生信号。这种直觉很容易解释:想想日照仪，它利用镜子产生阳光闪光，并进行远距离通信。
所以镜子变成了你模型中的天线，反射或吸收来自环境的信号。
完全正确。
你的工作表明，两台无电池设备之间的通信是可能的。
它的应用非常广泛，因为通过减少通信的功耗，你可以延长电池供电设备的寿命——或者你可以取下电池，依靠少量的太阳能或无线电信号为设备供电。
你甚至使用了环境后向散射来创建无功率Wi-Fi，对吧?
你可能会认为，如果你所做的只是反射信号，你只能发送莫尔斯电码，但我们展示了你实际上可以产生看起来完全像Wi-Fi信号的信号。你可以创建蓝牙，Zigbee, lora -选择你的协议。这很酷，但它也非常强大，因为现在你可以开始与你的手机或现有无线基础设施的数百万设备通话。你可以和任何带有Wi-Fi芯片的设备通话，而无需修改硬件。
“通过环境后向散射，设备通过反射环境中的环境信号来通信信息，而不是产生自己的信号。”
它是如何工作的?是否有一种算法来控制反射的东西，以模拟每个信号?
硬件非常简单。你在硬件层面上拥有的唯一能力就是偏转和吸收。然后，在软件中，你可以通过算法控制偏转或吸收的程度——以及多快——来模拟你想要产生的任何类型的信号。
环境后向散射的可能性是无穷无尽的，你已经研究过很多，从无电池手机到隐形眼镜天线。你是如何选择要从事的项目的?
我认为这是我作为一名研究人员的责任之一，去突破边界，展示各种可能性，因为一旦你做到了这一点，你就可以打开人们的思维，激发这些不同行业的工程师们的想象力。
你们还创建了像Jeeva Wireless这样的初创公司，将技术商业化。
我认为物联网的未来将是低功耗的，并且有可能是无电池的。电池很难回收，在很多环境下，更换起来也很麻烦，所以我认为这将是环境的胜利，同时也满足了一个非常实际的需求。
最近，你在生物纳米物联网(ioBNT)上做了很多工作，创造了小型机器昆虫，以及可以骑在真昆虫上的相机和传感器系统。
在我们如何设计我们的系统方面，生物学可以教给我们很多东西。例如，蒲公英种子有完美的结构可以在空中飞行。一直以来的问题是，设计非常微小的装置需要很长时间。我们创造的原型使用现成的组件来制造超小的可编程平台。小型微控制器与天线和后向散射开关甚至小型太阳能收割机相连，整个装置的重量不到100毫克，小到可以被一只蜜蜂携带。
这些技术对生物追踪研究非常有用。
由于重量和尺寸的限制，追踪昆虫的工具并不多。我们与大学里的不同小组合作，甚至与华盛顿州农业部合作。
你指的是定位入侵巨型亚洲大黄蜂的巢穴的项目，也就是所谓的“杀人大黄蜂”。
我们使用小型无线传感器通过捕捉和标记昆虫并观察无线信号来跟踪马蜂窝。虽然花了很多功夫，但一切都在两个月的时间内发生了，因为传感器是可编程的。如果你想要加速创新，你需要确保这些工具可以被大量的人使用，而且重要的是，在软件中是可编程的。这不应该只在你有合适的关系，并在制造上投资100万美元的情况下才有可能。
“如果你想加速创新，你需要确保这些工具对大量的人都是可访问的，重要的是，在软件中是可编程的。”
你还参与了几个医疗保健应用程序，使用智能设备来监测人们的心率和呼吸。
我们称之为非接触式传感。2013年，我们展示了你可以使用Wi-Fi信号来识别来自家中任何地方的手势，而无需佩戴特殊设备。Wi-Fi信号会反射到你的身体上，机器学习和信号处理算法可以理解你实际上是如何移动的。
经常会出现的一个问题是，“这种技术的具体和有影响力的应用是什么?”于是，我们开始问自己，你可能需要在什么地方进行非接触式跟踪。睡眠就是一个例子。我们展示了你可以通过智能手机产生的信号来追踪睡眠呼吸暂停。
在测试中，你构建的应用程序达到了与数千美元的多导睡眠描记术测试相当的准确性水平。
这项技术得到了ResMed公司的授权，该公司生产睡眠呼吸暂停机。到目前为止，该技术已被用于跟踪公众超过7000万小时的睡眠。
此后，你将这项工作扩展到了智能音箱。
智能手机很好，但什么东西是你不需要每晚都插电，却总是在那里的?对我来说，那就是我的智能音箱。如果它能跟踪我的睡眠呢?如果它能追踪我的心率或者告诉我我是否有心脏骤停呢?我们设计了算法，以一种完全非接触的方式来完成所有这些事情，并在真实的病人身上进行了测试。所以你的智能音箱从只播放音乐的东西变成了可以改变人们的健康，挽救人们的生命的东西。我觉得这太不可思议了。
许多传统医疗保健公司迟迟没有认识到数字医疗技术的力量。你的经历是怎样的?
2014年我们刚起步的时候，移动医疗在科技领域是一件大事，但在医疗领域还不是什么大事。在过去的五六年里，发生了巨大的变化。新一批即将毕业成为医生的人，都是伴随着手机长大的。他们精通科技，他们在质疑现状。社区内部正在发生很多变化，这很好。
与此同时，当你提出医疗索赔时，你需要通过一个更高的门槛。你需要获得FDA(美国食品和药物管理局)的许可，你需要证明功效。但其中的一些官僚主义和尽职调查是有用的，因为你不希望有人一开始就宣称这将治愈癌症。
这项工作如何符合您未来几年的研究议程?
我认为在未来的几十年里，计算机科学界应该关注两件主要的事情。其中之一是使技术更具环保意识——所有大的东西，如数据中心，小的东西，如物联网设备，都要消耗大量的电力。第二件事是健康。提高设备和诊断的成本和能源效率非常重要，特别是在发展中国家以及资源受限的农村地区。
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