反向散射技術：讓3D列印物體能監測其使用情況！

導讀

近日，美國華盛頓大學的工程師們開發出一種3D列印的裝置，它可以追蹤並存儲自身使用情況的資料，並且無需使用電池或電子器件。取而代之的是，這種系統採用了一種稱為“反向散射”的技術。透過該技術，裝置可以透過天線反射傳輸到它上面的訊號。

背景

今天，首先帶大家回顧之前多次介紹過一項前沿技術：“反向散射（backscatter）”（在之前的一些文章中，筆者也稱為“後向散射”技術）。

在物理學中，反向散射是波、粒子或訊號從它們來的方向反射回去。在這裡，簡單說，反向散射技術，是指裝置自身不產生訊號，而是反射傳輸過來的訊號，從而達到資訊交換的目的。

美國華盛頓大學的科研團隊，在這方面取得了許多卓越的科研成果。例如：

案例一，他們採用使用“反向散射”的方法，實現了幾種無線通訊協議之間的通訊，例如將藍芽訊號轉化成與 Wi-Fi、ZigBee相容的訊號。例如，智慧隱形眼鏡，可將智慧手錶傳送的藍芽訊號，轉換成智慧手機可讀取的Wi-Fi訊號，從而為智慧隱形眼鏡等醫療電子植入裝置降低由Wi-Fi通訊引起的較大功耗，節約電池電量。

下圖展示了該技術的一些潛在應用，例如：（a）隱形眼鏡系統，反向散射來自智慧手錶的藍芽訊號，產生可與手機通訊的Wi-Fi訊號。（b）植入大腦的介面，採用藍芽耳機和智慧手機進行通訊。（C）信用卡之間透過反向散射來自智慧手機的藍芽訊號進行通訊。

（圖片來源：華盛頓大學）

案例二，他們採用“調頻反向散射技術”，將日常生活中的物品變為無線電臺，與手機或者汽車進行通訊並交換資料，且功耗遠低於藍芽、WiFi 等無線通訊技術。

（圖片來源：華盛頓大學）

案例三，他們利用“遠端反向散射技術”，演示了一種幾乎零功耗執行的裝置，該裝置傳輸資料的距離最高可達2。8千米。這項研究對於物聯網來說，是一項非常重要的突破性進展。

圖片來源：Dennis Wise / 華盛頓大學

案例四，他們將反向散射技術用於影片資料處理，開發出一種無需插電的新型高畫質影片流方案。該方案拿掉了系統中那些耗電的部件，取而代之的是，用其他裝置例如智慧手機進行影片處理。

圖片來源：Dennis Wise / 華盛頓大學

案例五，也是與今天所介紹的科研成果關係最為密切的一個案例。他們利用反向散射技術，透過3D列印的塑膠物體與感測器，無需電池或通電，就可以採集有用資料，並完全自主地與其他連線WiFi的裝置進行通訊。

創新

今天，筆者要介紹的研究案例，還是關於反向散射技術。

這一次，科學家們將目光投向了廉價、可簡單定製、經過3D列印的裝置。這些裝置特別適合為殘疾人設計的輔助技術，例如義肢或者“智慧”藥瓶，這種藥瓶可以提醒病人每日服用藥物。但是，這些塑膠部件中並不含有電子器件，意味著他們無法監測患者如何使用它們。

近日，美國華盛頓大學的工程師們開發出一種3D列印的裝置，它可以追蹤並存儲自身使用情況的資料，並且無需使用電池或電子器件。取而代之的是，該系統採用了一種稱為“反向散射（backscatter）”的技術。透過這種技術，裝置可透過天線反射傳輸到它上面的訊號。

3D列印的無線分析專案背後的團隊。後排（從左到右）：Vikram Iyer、Jennifer Mankoff、Ian Culhane； 前排：Shyam Gollakota， Justin Chan

圖片來源：Mark Stone / 華盛頓大學

華盛頓大學保羅艾倫計算機科學和工程學院的教授、論文合著者之一的 Jennifer Mankoff 表示：“我們感興趣的是透過3D打印製造人們廣泛接受的輔助技術，但是我們無法透過簡單的途徑知道人們如何使用它。我們是否可以採用一種無電路的解決方案，透過現成的消費者級的印表機列印它，並使裝置本身可以採集資訊？我們在這篇論文中展示了這種方案的可行性。”

10月15日，華盛頓大學團隊將在德國柏林召開的國際計算機協會關於使用者介面軟體與技術的研討會上展示這項成果。

技術

之前，團隊開發出了首個無需電子器件就能連線Wi-Fi的3D列印的物體。這些純塑膠的裝置，能夠測量洗滌劑瓶子中的洗滌劑是否將要耗盡，然後線上預定更多的洗滌劑。

艾倫學院副教授、論文高階作者 Shyam Gollakota 表示：“在這些應用中採用塑膠，意味著你無需擔心電池電量耗盡或者裝置變溼。這將轉變你看待計算機的方式。但是，如果我們真正想將3D列印的物體轉變為智慧物體，那麼就需要監測和儲存資料的機制。”

（圖片來源：Mark Stone / 華盛頓大學

研究人員們首先解決了監測問題。在之前的研究中，他們的系統追蹤了一個方向上的運動，可以很好地監測洗衣液的含量（在瓶子中的高度），或者測量風或水的速度。但是，現在他們需要研製出可監測雙向運動的物體，例如開啟和關閉藥瓶。

美國華盛頓大學電子與計算機工程系博士研究生、論文領導作者 Vikram Iyer 表示：“上一次，我們設計了朝一個方向轉動的齒輪。隨著液體流過齒輪，它會將開關向下推，使之與天線接觸。這次，我們設計了兩個天線，一個在頂部，一個在底部。天線能與附著在齒輪上的開關進行接觸。所以打開藥瓶蓋子將使得齒輪朝著一個方向運動，讓開關接觸到兩個天線中的一個。然後，蓋上瓶蓋會使齒輪朝著相反方向運動，而開關會接觸另外一個天線。”

兩個天線是完全相同的，因此團隊必須設計一種解碼瓶蓋運動方向的方法。

艾倫學院博士研究生、論文合著者之一的 Justin Chan 表示：“齒輪的齒含有一種可編碼資訊的特殊序列。因此，當你向一個方向扭動瓶蓋時，你會發出資訊；而當你向另外一個方向扭動瓶蓋時，你可以接收到相反的資訊。”

下圖所示：齒輪的齒可用於編碼特殊的資訊

除了追蹤藥瓶蓋運動，相同的方法還可用於監測人們如何使用義肢，例如3D列印的e-NABLE。這些機械手臂，可以附著在手腕上，幫助手部異常的兒童抓握物體。當兒童彎曲腕關節時，手上的線會收緊，使手指相互靠近。團隊透過他們的雙向感測器原型，3D打印出一個 e-NABLE 手臂。感測器可透過判斷腕關節的角度，監測手部的開合。

（圖片來源：e-NABLE）

研究人員們也想研製一個3D列印的物體，可以在Wi-Fi無法覆蓋的地方，儲存使用資訊。為了設計這個應用，他們選擇了胰島素筆，並檢測它的使用情況，然後當其中的胰島素量變低時會發送訊號。

Gollakota 表示：“在沒有Wi-Fi連線的時候，你仍然可以獲取胰島素。因此，我們需要一個儲存使用次數的機制。一旦你回到Wi-Fi覆蓋的範圍內，就可以將儲存的資料傳送至雲端。”

這個方案需要機械運動，例如按壓按鈕，並透過拉緊棘輪（只能朝著一個方向運動）中的彈簧來儲存資訊。每一次，當有人按下按鈕，彈簧就會收緊。如果使用者不鬆開棘輪，彈簧一直不會鬆開（在後向散射感測器的感知範圍之內）。然後，隨著彈簧鬆開，透過齒輪轉動，會移動齒輪觸發開關與天線反覆接觸。每一次的接觸都會被計數，用於決定使用者按壓按鈕的次數。

價值

這些裝置目前只是原型，用來展示3D列印材料，以感知雙向運動以及儲存資料的可能性。Mankoff 表示，下一個挑戰將是採用這些概念，縮小它們，使之可以嵌入到真正的藥瓶、義肢或者胰島素筆中。

她說：“該系統將賦予我們關於正在發生的事情的更高保真度的影象。例如，我們現在還沒有辦法追蹤人們是否正使用 e-NABLE 手臂以及如何使用它們。最終，我們想要用這些資料去預測，人們是否會根據使用情況拋棄一個裝置。”

關鍵字

無線通訊、物聯網、3D列印

參考資料

【1】http：//www。washington。edu/news/2018/10/09/3-d-printed-analytics/

【2】http：//printedwifi。cs。washington。edu/printedwifi。pdf