400万+工程师在用

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因为传感器,我们已经生活在了一个“超意识”的星球上

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  2014年,在芬兰的一个传染病实验室里,卫生研究员佩特里·拉特拉(Petteri Lahtela)发现了一件奇怪的事情,他突然意识到他所研究的很多问题的条件都存在着重叠。例如,在检查一些医生认为互不相关的疾病时,比如莱姆病、心脏病、糖尿病等,他发现所有这些疾病都对睡眠有负面影响。

  这就引发了一个因果关系问题。是所有这些疾病都导致了睡眠问题,还是反过来,通过改善睡眠,这些疾病就能够治好,或者至少症状能够得到缓解呢?更加重要的是,怎样才能做到更有效地治愈这些疾病?

  拉特拉发现,要想解决这些难题,他需要得到相关数据,很多很多数据。在收集这些信息的过程中,他很快就意识到自己可以利用最近出现的一个技术上的转折点——2015年,在智能手机技术进步的推动下,小而强劲的电池与小而强大的传感器开始融合到一起。

  事实上,他意识到,由于它们体积小而功能强大,要建造一种新型的睡眠追踪器是完全可能的。任何电子设备,如果能够测量某个物理量(如光、加速度或温度),然后将这些信息发送给网络上的其他设备,都可以被认为是一种传感器。

  拉特拉正在考虑的传感器是一种新型心率监测仪。跟踪睡眠的一个很好的方法是监测心率和心率的变异性。虽然市场上已经有了很多这样的追踪器,但是那些都是很有问题的“老型号”。例如,健身腕带和苹果手表,都是通过一个光学传感器测量手腕的血流量的。然而,手腕上的动脉位于皮肤表层以下很深的地方,因此无法对血流量进行完美的测量,而且人们通常不会戴着手表睡觉——这会影响它们原本设计用来测量的睡眠。

  拉特拉发明的是这种智能手表的升级版,名为“乌拉戒指”(Oura ring)。这款戒指的主体是一条光滑的黑色钛带,装有3个传感器,可以跟踪和计算10个不同的身体信号,因此它是市场上最精确的睡眠追踪器。穿戴位置和采样率是它的秘密武器。由于手指上的动脉比手腕上的动脉离皮肤表层更近,乌拉戒指能够更好地了解心脏的情况。

 

  此外,苹果手表和Garamond每秒只能测量两次血流量,健身腕带最多可以测12次,而乌拉戒指则每秒可以测250次。在独立实验室进行的研究中,更好的成像质量和更高的采样率相结合,使乌拉戒指与医学级别的心率跟踪器相比准确率达到了99%,心率变异性的准确率则达到了98%。

  20年前,如此精确的传感器要花费数百万美元,而且必须安置在一个相当大的房间中。而乌拉戒指的价格约为300美元,并可以直接戴在手指上,这就是指数型增长对传感器的影响。

  传感器发展最重要的结果是通常所称的“物联网”(Internet of Things,IoT),即将遍布全球的智能设备互连网络。为了更好地理解我们已经走了多远,有必要回顾一下这场革命的演变过程。

  1989年,发明家约翰·罗姆尼(John Romkey)将一台烤面包机连接到互联网上,使之成为第一个物联网设备。10年后,社会学家内尔·格罗斯(Neil Gross)看到了这个趋势,他在《商业周刊》上发表了一个著名的预测:

  “在下个世纪,整个地球都会蒙上一层电子皮肤。地球将利用互联网作为支架,来支持和传播它的感觉。现在,这层皮肤正在缝合。它由数百万个嵌入式电子测量设备组成:恒温器、压力表、污染探测器、照相机、麦克风、葡萄糖传感器、心电图仪、脑电图仪等。它们将监测城市和濒危物种、大气、船只、高速公路和卡车车队,以及我们的对话、我们的身体,甚至我们的梦想。”

  格罗斯的预测应验了。

  到2009年,连接到互联网上的设备数量已经超过地球上的总人口数量(125亿个设备,68亿人,或每人1.84个连接设备)。一年后,在智能手机发展的推动下,传感器价格开始暴跌。到2015年,连接到互联网上的设备总数达到了150亿台。由于这些设备中大多数都包含多个传感器,例如,平均每台智能手机大约有20个传感器。这也解释了为什么到2020年,人们通常所称的“我们的万亿传感器世界”将正式登场。

  我们当然不会就此止步。斯坦福大学的研究人员估计,到2030年,将有5000亿台联网设备(每台设备装有数十个传感器)。而根据埃森哲咨询公司(Accenture)的研究,这里面所包含的经济价值将达到14.2万亿美元。隐藏在这些数字背后的正是格罗斯的思想:那是记录了地球上的几乎每一种感觉的“电子皮肤”。

  以光学传感器为例。柯达工程师史蒂文·萨森(Steven Sasson)于1976年发明了第一台数码相机,它有烤箱那么大,可以拍摄12张黑白照片,而价格则超过了1万美元。到了今天,普通智能手机配备的摄像头在重量、成本和分辨率方面都比萨森的数码相机提高了数千倍。这些摄像头到处都是,汽车上、无人机上、手机上、卫星上,并且拥有几乎令人“毛骨悚然”的图像分辨率。卫星拍摄到的地球影像,已经精确到了半米。无人机则进一步缩小到了一厘米。无人驾驶汽车上的激光雷达传感器更是几乎可以捕捉到所有东西,它每一秒钟都要收集130万个数据点,并能够记录单个光子级别的变化。

  在光学传感器上,我们看到了三重趋势:体积和成本不断下降,同时性能大幅提高。第一台商用GPS是1981年上市的,它重达24千克,价格高达119900美元。到2010年,商用GPS的价格已经下降到5美元,体积则小到可以放在你的手指上。为早期火箭导向的“惯性测量装置”就是一个很好的例子。在20世纪60年代中期,那还是一个重达23千克、价格高达2000万美元的设备。如今,你手机里的加速度计和陀螺仪也在做着同样的事情,但只需要4美元,重量还不如一粒米。

  这些趋势肯定还会持续下去。我们正从微观世界向纳米世界迈进。这种进步已经导致智能服装、智能珠宝和智能眼镜等浪潮的涌起,上面讲到过的乌拉戒指就是其中一个很好的例子。很快,这些传感器就会进入人的身体。以“智能微尘”(smart dust)为例,这是一个只有灰尘微粒大小的系统,可以感知、存储和传输数据。如今,一粒“智能微尘”的大小像一粒苹果种子那么大。未来,纳米级的智能微粒将会漂浮在我们的血液中,收集数据,探索人体内部—那是科学最后的未知领域之一。

  毫无疑问,我们将会学到更多,关于内部的身体,关于外部的一切。这是一个巨大的转变。从这些传感器奔涌而来的数据量有时大得简直令人难以理解。一辆自动驾驶汽车每天会产生4 TB的数据,这相当于1000部电影所包含的信息;一架商用客机则每天会产生40 TB的信息;一个智能工厂,则会产生PB级的信息。

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  那么,这些数据会给我们带来什么呢?

  很多,很多。

  医生将不再需要依靠每年一次的体检来追踪患者的健康状况,因为他们现在每天24小时、每周7天都能收到大量的量化数据。

  农民将随时可以知道土壤和天空中的水分含量,从而精确地进行浇灌,种植出更健康的作物,获得更大的产量,并节约大量的水资源(水的浪费,是全球变暖的一个重要因素)。

  在商业领域,由于在快速变化的时代里,面对机会时的机敏和行动时的快捷是最大的优势,因此虽然了解客户的所有信息可能会带来令人担忧的隐私问题,但是它确实为组织提供了令人难以置信的灵活性,这可能是在这个加速发展的时代维持生存的唯一方法。

  而且,这一切仍然在进一步加速。

  在10年之内,我们将会生活在一个几乎所有可以测量的东西都会被持续测量的世界里。那将是一个极端透明的世界。从太空的边缘到海洋的底部,再到你身体的内部,我们的电子皮肤正在形成一个无限可用信息的感觉中枢。不管你喜不喜欢,我们已经生活在了一个“超意识”的星球上。

责任编辑:xj

原文标题:因为传感器,10年后我们将会生活在一个极端透明的世界

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