导读
近日，美国华盛顿大学的工程师们开发出一种3D打印的设备，它可以追踪并存储自身使用情况的数据，并且无需使用电池或电子器件。取而代之的是，这种系统采用了一种称为“反向散射”的技术。通过该技术，设备可以通过天线反射传输到它上面的信号。
背景
今天，首先带大家回顾之前多次介绍过一项前沿技术：“反向散射（backscatter）”（在之前的一些文章中，笔者也称为“后向散射”技术）。
在物理学中，反向散射是波、粒子或信号从它们来的方向反射回去。在这里，简单说，反向散射技术，是指设备自身不产生信号，而是反射传输过来的信号，从而达到信息交换的目的。
美国华盛顿大学的科研团队，在这方面取得了许多卓越的科研成果。例如：
案例一，他们采用使用“反向散射”的方法，实现了几种无线通信协议之间的通信，例如将蓝牙信号转化成与 Wi-Fi、ZigBee兼容的信号。例如，智能隐形眼镜，可将智能手表发送的蓝牙信号，转换成智能手机可读取的Wi-Fi信号，从而为智能隐形眼镜等医疗电子植入设备降低由Wi-Fi通信引起的较大功耗，节约电池电量。
下图展示了该技术的一些潜在应用，例如：（a）隐形眼镜系统，反向散射来自智能手表的蓝牙信号，产生可与手机通信的Wi-Fi信号。（b）植入大脑的接口，采用蓝牙耳机和智能手机进行通信。（C）信用卡之间通过反向散射来自智能手机的蓝牙信号进行通信。
案例二，他们采用“调频反向散射技术”，将日常生活中的物品变为无线电台，与手机或者汽车进行通信并交换数据，且功耗远低于蓝牙、WiFi 等无线通信技术。
案例三，他们利用“远程反向散射技术”，演示了一种几乎零功耗运行的设备，该设备传输数据的距离最高可达2.8千米。这项研究对于物联网来说，是一项非常重要的突破性进展。
（图片来源：Dennis Wise / 华盛顿大学）
案例四，他们将反向散射技术用于视频数据处理，开发出一种无需插电的新型高清视频流方案。该方案拿掉了系统中那些耗电的部件，取而代之的是，用其他设备例如智能手机进行视频处理。
（图片来源：Dennis Wise / 华盛顿大学）
案例五，也是与今天所介绍的科研成果关系最为密切的一个案例。他们利用反向散射技术，通过3D打印的塑料物体与传感器，无需电池或通电，就可以采集有用数据，并完全自主地与其他连接WiFi的设备进行通信。
创新
今天，笔者要介绍的研究案例，还是关于反向散射技术。
这一次，科学家们将目光投向了廉价、可简单定制、经过3D打印的设备。这些设备特别适合为残疾人设计的辅助技术，例如义肢或者“智能”药瓶，这种药瓶可以提醒病人每日服用药物。但是，这些塑料部件中并不含有电子器件，意味着他们无法监测患者如何使用它们。
近日，美国华盛顿大学的工程师们开发出一种3D打印的设备，它可以追踪并存储自身使用情况的数据，并且无需使用电池或电子器件。取而代之的是，该系统采用了一种称为“反向散射（backscatter）”的技术。通过这种技术，设备可通过天线反射传输到它上面的信号。
下图所示：3D打印的无线分析项目背后的团队。后排（从左到右）：Vikram Iyer、Jennifer Mankoff、Ian Culhane； 前排：Shyam Gollakota, Justin Chan
（图片来源：Mark Stone / 华盛顿大学）
华盛顿大学保罗艾伦计算机科学和工程学院的教授、论文合著者之一的 Jennifer Mankoff 表示：“我们感兴趣的是通过3D打印制造人们广泛接受的辅助技术，但是我们无法通过简单的途径知道人们如何使用它。我们是否可以采用一种无电路的解决方案，通过现成的消费者级的打印机打印它，并使设备本身可以采集信息？我们在这篇论文中展示了这种方案的可行性。”
10月15日，华盛顿大学团队将在德国柏林召开的国际计算机协会关于用户接口软件与技术的研讨会上展示这项成果。
技术
之前，团队开发出了首个无需电子器件就能连接Wi-Fi的3D打印的物体。这些纯塑料的设备，能够测量洗涤剂瓶子中的洗涤剂是否将要耗尽，然后在线预定更多的洗涤剂。
（图片来源：Mark Stone/华盛顿大学）
艾伦学院副教授、论文高级作者 Shyam Gollakota 表示：“在这些应用中采用塑料，意味着你无需担心电池电量耗尽或者设备变湿。这将转变你看待计算机的方式。但是，如果我们真正想将3D打印的物体转变为智能物体，那么就需要监测和存储数据的机制。”
（图片来源：Mark Stone / 华盛顿大学）
研究人员们首先解决了监测问题。在之前的研究中，他们的系统追踪了一个方向上的运动，可以很好地监测洗衣液的含量（在瓶子中的高度），或者测量风或水的速度。但是，现在他们需要研制出可监测双向运动的物体，例如打开和关闭药瓶。
美国华盛顿大学电子与计算机工程系博士研究生、论文领导作者 Vikram Iyer 表示：“上一次，我们设计了朝一个方向转动的齿轮。随着液体流过齿轮，它会将开关向下推，使之与天线接触。这次，我们设计了两个天线，一个在顶部，一个在底部。天线能与附着在齿轮上的开关进行接触。所以打开药瓶盖子将使得齿轮朝着一个方向运动，让开关接触到两个天线中的一个。然后，盖上瓶盖会使齿轮朝着相反方向运动，而开关会接触另外一个天线。”
两个天线是完全相同的，因此团队必须设计一种解码瓶盖运动方向的方法。
艾伦学院博士研究生、论文合著者之一的 Justin Chan 表示：“齿轮的齿含有一种可编码信息的特殊序列。因此，当你向一个方向扭动瓶盖时，你会发出信息；而当你向另外一个方向扭动瓶盖时，你可以接收到相反的信息。”
齿轮的齿可用于编码特殊的信息（图片来源：Kiyomi Taguchi / 华盛顿大学）
除了追踪药瓶盖运动，相同的方法还可用于监测人们如何使用义肢，例如3D打印的e-NABLE。这些机械手臂，可以附着在手腕上，帮助手部异常的儿童抓握物体。当儿童弯曲腕关节时，手上的线会收紧，使手指相互靠近。团队通过他们的双向传感器原型，3D打印出一个 e-NABLE 手臂。传感器可通过判断腕关节的角度，监测手部的开合。
研究人员们也想研制一个3D打印的物体，可以在Wi-Fi无法覆盖的地方，存储使用信息。为了设计这个应用，他们选择了胰岛素笔，并检测它的使用情况，然后当其中的胰岛素量变低时会发送信号。
Gollakota 表示：“在没有Wi-Fi连接的时候，你仍然可以获取胰岛素。因此，我们需要一个存储使用次数的机制。一旦你回到Wi-Fi覆盖的范围内，就可以将存储的数据发送至云端。”
这个方案需要机械运动，例如按压按钮，并通过拉紧棘轮（只能朝着一个方向运动）中的弹簧来存储信息。每一次，当有人按下按钮，弹簧就会收紧。如果用户不松开棘轮，弹簧一直不会松开（在后向散射传感器的感知范围之内）。然后，随着弹簧松开，通过齿轮转动，会移动齿轮触发开关与天线反复接触。每一次的接触都会被计数，用于决定用户按压按钮的次数。
价值
这些设备目前只是原型，用来展示3D打印材料，以感知双向运动以及存储数据的可能性。Mankoff 表示，下一个挑战将是采用这些概念，缩小它们，使之可以嵌入到真正的药瓶、义肢或者胰岛素笔中。
她说：“该系统将赋予我们关于正在发生的事情的更高保真度的图像。例如，我们现在还没有办法追踪人们是否正使用 e-NABLE 手臂以及如何使用它们。最终，我们想要用这些数据去预测，人们是否会根据使用情况抛弃一个设备。”
关键字
无线通信、物联网、3D打印
【1】http://www.washington.edu/news/2018/10/09/3-d-printed-analytics/
【2】http://printedwifi.cs.washington.edu/printedwifi.pdf
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