大多数智能家居设备都离不开电力：要么插电，要么充电，要么定期更换电池。乔治亚理工学院的研究人员提出了一种不同的思路——利用小型金属标签，在没有电池的情况下完成感知和记录。

这些标签可以贴在门、抽屉、水龙头、马桶盖甚至健身器材上：当门被打开、抽屉被拉出，或器械被举起时，标签会发出一个极短的超声波脉冲，用于记录这一动作。它们安静、天然具备隐私性，每个成本仅需几美分，尺寸甚至比一枚硬币还要小。

标签如何工作

和常见的智能家居传感器类似，这些金属标签通常通过一个固定底座安装在橱柜或门框上（例如使用 3D 打印支架）。

• 一个小金属标签固定在门或抽屉上
• 当门或抽屉打开时，标签会撞击一个金属圆盘
• 被敲击的圆盘会产生一个人耳听不到、但可被可穿戴设备麦克风捕捉到的短暂超声波信号
• 可穿戴设备接收到信号后，就能记录对应的活动事件

标签本身的几何形状决定了它发出的超声频率。它看起来像一个中间有孔的扁平垫圈，小圆盘的外缘带有不同形状的切口。正是这些细微的结构差异，让每个标签都拥有独一无二的“声音指纹”。

独特“指纹”与活动识别

“这些独特的指纹可以用来做智能家居感知，也就是我们说的‘活动识别’。”负责该项目的机器人学博士生傅一博介绍，他与多位工程和计算领域的研究人员共同完成了这项工作。相关成果发表在《ACM 交互式、移动、可穿戴及普适技术学报》上。

通过为不同物体贴上不同“指纹”的标签，系统就能区分：是厨房橱柜被打开了，还是浴室门被推开了，或者是某个健身器材被使用了。

可能的应用场景

傅一博表示，这些标签可以被安装在多种日常物品上，用于不同的监测和提醒：

• 水龙头：监测用水行为
• 马桶盖：帮助护理人员了解老年亲属是否可能需要如厕协助
• 健身器材（如哑铃）：自动计数深蹲、推举等动作次数
• 带按钮版本：用户可以手动按压，用来启动计时器或记录某个活动

他在 Instagram 上发布的相关视频已经获得约 160 万次观看、15 万点赞和数百条评论。许多网友在评论中提出了新的应用设想，并希望能通过众筹将这些想法变成产品。

“来自其他领域的人提出了很多有意思的点子。”傅一博说，“有人提到可以用在档案系统里，比如有大量货架和箱子。当你取出或放回一个箱子时，快速的动作会触发标签，这样就能精确知道刚刚是哪个箱子被打开、关闭或归档。”

“还有人提到在废物管理系统中，用这些标签追踪成千上万个垃圾桶和回收箱的位置。”

他认为，这些虽然是更专业的应用场景，但从评论中看到这些设想本身就非常有趣。

设计超声“指纹”的仿真工具

来自航空航天工程学院的邓博磊长期研究振动与波动，以及物体几何形状如何影响其共振特性。他和团队开发了一套建模与仿真工具，用来设计这些金属圆盘，使其在被敲击时产生特定的超声波频率。

通过仿真，他们一开始就确定了近 1300 种初始设计方案，每一种都能在超声波频段内产生独特的频率。这些频率都高于 20 千赫兹，也就是人类听觉的上限。团队在实际测试中选用了其中 15 种设计。

“我们可以选 20 个、50 个甚至 100 个设计，它们大概率都能正常工作。”邓博磊表示，“如果进一步精细设计，我认为可用的标签总数可以非常非常多——轻松达到几千个——因为超声波频率范围本身就很宽。”

为什么选择超声波

使用超声波除了“听不见”这一特点外，还有其他优势：

• 抗噪声能力强：即使在嘈杂环境中，超声信号也相对容易从背景噪声中被识别出来
• 传播距离有限：超声波在空气中的传播距离较短，只有附近的麦克风才能“听到”标签

这让系统在设计上天然更具隐私性。邓博磊指出，除非有人距离在一米左右，否则几乎无法检测到这些活动信号。

简单算法，极低功耗

为了保持系统简单易用，研究团队目前并未采用复杂的机器学习模型来识别超声信号，而是使用了带有硬编码规则的简单算法。

这种方式对计算资源和电力的需求都非常低，更适合与低功耗设备或可穿戴设备配合使用。

工程与计算的跨学科合作

除了邓博磊和傅一博，交互计算学院的亚历山大·亚当斯和乔赛亚·赫斯特也参与了这项研究。

“这真的是一次计算与工程的合作。”傅一博说，“一方面有物理仿真和结构设计，另一方面还有我们为读取和解析信号而开发的算法和计算部分。”

通过这种跨学科协作，一个无需电池、成本低廉、体积微小的超声标签系统，正在把普通的门、抽屉和日常物品，悄无声息地变成可感知、可追踪的智能家居节点。