Każdy człowiek ma niepowtarzalny chód. Nowe, niewielkie czujniki pozwalają równocześnie obserwować kroki wielu osób. Każdy człowiek ma niepowtarzalny chód. Nowe, niewielkie czujniki pozwalają równocześnie obserwować kroki wielu osób. Getty Images
Technologia

Szpieg kroków

Nowe czujniki mogą rozpoznawać charakterystyczne cechy chodu, co pozwala zidentyfikować idącego i określić stan jego zdrowia.

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.


Odciski palców nie są jedyną cechą biometryczną, która nas identyfikuje. Każdy człowiek ma również niepowtarzalny chód, który na dodatek może wiele powiedzieć o jej nastroju i stanie zdrowia. Zespół badaczy skonstruował niedawno zdalne czujniki, które analizują kroki, mierząc ledwie wyczuwalne drgania podłoża. Następnie naukowcy zastosowali tę technikę, aby identyfikować osoby poruszające się w budynku, a także opracować nową zdalną metodę oceny kondycji fizycznej.

Sposób chodzenia „to unikalna cecha każdego z nas”, wyjaśnia Hae Young Noh, specjalistka inżynierii lądowej, która rozpoczęła badania w Carnegie Mellon University, a następnie przeniosła się do Stanford University. Analizując sposób stawiania kroków, „można odczytać, kim jest osoba, gdzie się znajduje, czym się zajmuje, a nawet ocenić jej stan umysłowy”. Kiedy czujniki zarejestrują drgania pochodzące od stawianych kroków, oprogramowanie przeanalizuje szczegóły, ustalając tożsamość osoby. Vir Phoha, inżynier elektryk i informatyk z Syracuse University, wyjaśnia, że starsze systemy, wykonywały to zadanie z wiarygodnością do 95%.

Phoha podkreśla, że z cech chodu można dowiedzieć się o wiele więcej, niż tylko ustalić tożsamość: „Sposób stawiania kroków kryje mnóstwo informacji, zwłaszcza związanych ze zdrowiem”. Na przykład przenoszenie ciężaru ciała na jedną lub drugą stronę, zaburzenie równowagi może wskazywać na schorzenia neurologiczne. Takie dane mogą pomóc lekarzom chociażby w ocenie kondycji seniorów lub osób z grupy podwyższonego ryzyka, które pragną prowadzić samodzielne życie: obserwacja chodu pozwala dyskretnie monitorować ich stan.

Starsze techniki badania chodu wymagały zakładania przez pacjentów urządzeń pomiarowych, zastosowania specjalnych mat lub podłogi o odpowiednich właściwościach. Ale Noh, Pei Zhang, inżynier elektryk i informatyk z Carnegie Mellon, oraz ich współpracownicy postanowili opracować przenośne czujniki, które mogłyby być obsługiwane zdalnie. Naukowcy wykorzystali fakt, że ściany i podłogi w typowych budynkach przenoszą nawet słabe drgania wzbudzane w przestrzeni, którą otaczają. „Przypadek, kiedy wielkie obiekty fizyczne, jak budynki i mosty, stają się częścią układu pomiarowego umożliwiającego pośrednie monitorowanie ludzi i środowiska, nazywamy ‘konstrukcja jako sensor’”, wyjaśnia Noh.

Rejestracja drgań wzbudzanych przez zwykłe kroki wymaga niezwykle czułych detektorów. „Aby docenić ich czułość, wyobraź sobie, że detektor umieścimy na podłodze w odległości metra od krzesła na którym siedzisz – tłumaczy mi Zhang. – To wystarczy, aby usłyszeć bicie twojego serca.” Każdy czujnik, z wyglądu walec o wysokości kilku centymetrów, umieszczony na podłodze może rejestrować kroki z odległości nawet 20 m, wyjaśnia Noh. Badacze rozmieszczają sieć takich czujników na obszarze, który chcą monitorować.

Najpierw jednak muszą „nauczyć” je, jak odróżniać słabe sygnały od tła dźwięków słyszalnych w każdym „żyjącym budynku”. „Walka z szumem to największe wyzwanie przed którym stoimy – przyznaje Noh i podkreśla, że rozwiązanie problemu wymagało wielu wysiłków na płaszczyźnie sprzętowej i programowej. Jeżeli chodzi o stronę sprzętową, to jedno z zastosowanych rozwiązań polega na wyposażeniu każdego czujnika we wzmacniacz z automatyczną regulacją wzmocnienia, która ustawia czułość optymalną dla natężenia odbieranych drgań. Kiedy drgania docierają z większej odległości, wzmocnienie wzrasta. Kiedy sygnał staje się silniejszy, co może grozić przesterowaniem i wprowadzaniem zniekształceń, wzmocnienie maleje.

Gdy czujnik zarejestruje drgania, do akcji wkracza oprogramowanie. „Korzystamy z różnych [technik] przetwarzania sygnałów i uczenia maszynowego, aby odróżnić sygnały związane z ludźmi od szumu, który nas nie interesuje” – wyjaśnia Noh. Jak w przypadku danych rejestrowanych za pomocą innych technik detekcji kroków (urządzeń przeznaczonych do noszenia na sobie lub mat czułych na nacisk), sposób chodzenia zmierzony za pomocą czujników nowego typu może posłużyć do ustalania tożsamości lub diagnostyki niektórych schorzeń. Zespół prezentował już swoje osiągnięcia na kilku różnych konferencjach i seminariach, ostatnio w lutym br. podczas Society for Experimental Mechanics’ International Modal Analysis Conference.

System wyświetla na żywo na monitorze charakterystykę kroków obserwowanych osób, co jednemu z badaczy kojarzy się z „Mapą huncwotów”, znanym z książki i filmu o przygodach Harry’ego Pottera magicznym planem okolic Hogwartu, który pokazywał położenie bohaterów. Eve Schooler, naczelna inżynier i dyrektor tworzonej w Intelu sieci Internet of Things, która nie była zaangażowana w projekt, ale wcześniej współpracowała z realizującymi go badaczami, zauważa, że ta fikcyjna mapa funkcjonowała tylko w jednym konkretnym miejscu, a nowe czujniki kroków można rozmieścić w dowolnym budynku. „Część algorytmów, które przy okazji powstały, sprawia, że wynik jest możliwy do zastosowania w innych warunkach i to jest interesujące – wyjaśnia Schooler. – Nie trzeba powtarzać kalibracji, aby ustalić cechy charakterystyczne każdej osoby; technika robi to za nas.” Kiedy system pomiarowy raz „nauczy się” cech charakterystycznych chodu danej osoby, czujniki będą mogły ją rozpoznać w każdym miejscu, w pracy lub w domu.

Biorąc pod uwagę dostępność urządzenia – Noh ocenia, że koszt jednego czujnika powinien mieścić się w przedziale od 10 do 20 dolarów – oraz fakt, że wystarczy rozmieszczać je co 20 m, aby uzyskać obraz całego piętra, można będzie zrealizować wiele pomysłów, o których wspomina Schooler.

Pojawienie się nowego monitoringu stawia naturalne pytanie o zachowanie prywatności. Badacze uważają, że opracowana przez nich technika powinna być używana jedynie w zakresie opieki medycznej po uzyskaniu zgody pacjenta. Przekonują, że wdrożenie takiego monitoringu pomogłoby opiekunom osób starszych dostrzec w porę zagrożenie upadkiem. Z kolei w szpitalach dziecięcych ułatwiłoby rozpoznanie pierwszych symptomów schorzeń takich, jak dystrofia mięśniowa. Według naukowców detekcja kroków o wiele bardziej sprzyja ochronie prywatności niż chociażby zastosowanie kamer.

„W rzeczywistości nasz system powstał właśnie w odpowiedzi na problemy z ochroną prywatności w przypadku innych technik monitoringu” – przekonuje Zhang. I dodaje, że w scenariuszach związanych ze zdrowiem „byłby gotów poświęcić część swoich danych, aby zapobiegać upadkom i wykrywać choroby”.


Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża najnowsze badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.

Świat Nauki 8.2020 (300348) z dnia 01.08.2020; Skaner; s. 8

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną