黑科技

　　【距离几何学：空间测距、定位网络，互联、物联时空的新基准】
　　文 / 顾志强
　　以前在谷歌［X］实验室工作时，经常会向面试的同学提一个类似脑筋急转弯的问题：能否在二维平面上找到4个不重合的点，使得它们两两之间距离相等？如果是放置在三维空间中的四个点呢？又或者在地球表面上的四个点呢（假设地球表面是一个完美的圆球面）？
　　读到这里，可能会有人心存疑惑，这和本文主题有关系吗？不要小看这个问题，其中蕴藏着关于距离几何学的大学问哦。所谓距离几何学，就是通过网络节点和节点之间的距离测量来推知网络的整体几何性质，比如每个节点的物理位置、网络直径和节点分布等。这些节点可以是路由器，也可以是手机，又或者是我们佩戴的手环。设想未来某天，当你走进博物馆参观，展厅本身拥有一个实时搭建的局域人机交互网络，可以定位网络中每个节点，也就是观众携带的手机、手环、眼镜，甚至衣服、鞋子等物品，当参观者位置移动到某一展品附近时，手机或者展馆屏幕上自动弹出该展品的介绍，观众与展品甚至可以像《哈利·波特》里描述的那样与画中人互动。这样的高能博物馆，是不是超级酷？
　　距离几何学是数学中的一个有趣的分支，不仅自身充满了浓郁的理论趣味，还有着广泛的实际应用价值，在物联网、机器学习、计算机视觉与可视化研究，以及传感网络的位置服务等应用中都发挥了非常重要的作用。可以说是这些领域背后黑科技的一部分，近几年来越发引起科学界的关注与重视。本文主要围绕距离测量，基于距离信息的几何学、室内定位，以及其他各类神奇的应用来展开。希望本文的介绍能为对这一领域感兴趣的读者带来启发。
　　从Internet of Things 到Location of Things
　　Internet of Things（简称IoT），就是我们通常说的物联网，这个概念相信大家都不陌生。万物有灵，互联互通，物联网的世界是丰富多彩的，每个日常生活物品都可以在物联网的作用下实时地感知周围的环境，形成网络集群效应。举个例子，我们可以在家部署多个测量距离的传感器设备，使得这些设备之间可以互相定位，形成一个局域网络，用于跟踪和定位物体，实时地根据进入这个环境的客人的位置信息有选择地推送相关的信息或者提供其他服务内容。在不久的未来，甚至可以让家里的桌椅、茶杯、衣服、毛巾都具备传感与通信功能，它们可以感知彼此的存在，协同工作，为主人生活起居带来更多舒适与便捷。结束了一天的工作，拎包走出办公室前，你或许可以给大管家冰箱打个电话，大管家会转告电饭煲和烤箱，提前煲上米饭、烤上猪排，这样到家时就可以吃上热腾腾的猪排饭啦，这样的日子，岂不妙哉。
　　想吃猪排饭，要先学会如何构建传感网络的自组织图用来定位彼此。读者可能会问，这又有何难度呢？用GPS（全球定位系统）不就可以了嘛！问题是，商用的卫星GPS信号通常在充满遮挡物的城市角落或者大楼内部工作不佳。同时GPS的定位精度也不够准备，在没有遮挡物干扰的空旷户外，除非是使用军用GPS，一般的民用GPS定位精度通常只在10米左右，用作车辆导航是够了，但想要精确定位一个手掌大小的物体，这样的精度远远不够用。想要实现毫米级别的几何信息定位，我们需要寻找新的解决办法。
　　目前室内定位的研究重心就在于如何建立一套完整的软硬件体系可以保证实时并且精确地定位特定物体。2015年笔者曾在西雅图参加并且观摩了IPSN会议上举行的室内定位大赛，目前最优的定位方案大约可以达到20厘米左右的定位精度。［1］高精度的实时定位可以让用户获得许多新的神奇体验，比如增强现实！你举起手机对着桌面看，摄像头看到了桌面上的物体如遥控器和钥匙链，同时系统准确定位了桌面上的这些物体位置，于是原先用箭头显示的物体坐标就会变为该物体的虚拟现实形象显示在屏幕上，实现同一物体的真实和虚拟形象叠加。不仅如此，你可以靠近或远离它们，变换朝向，真实世界和虚拟世界配合得天衣无缝。
　　Location of Things（简称LoT），顾名思义，就是在IoT的基础上赋予每一个物体具体的物理位置标志。LoT这个名词挺时髦的。笔者最早是在以色列的一家叫作getpixie的公司的宣传标语上看到这个词。该公司生产一种非常小巧的类似钥匙链的小标牌。标牌和标牌之间可以精准地测量相互间的距离。它的一个最神奇的应用就是可以通过自组织网络寻找藏匿在家中的物品。LoT还有很多有趣的应用，比如说室内定位：当用户走进一家商场，商家会根据其位置自动选择广告推送的内容；当该用户走近货架浏览商品时，商品的信息实时地在手机端显示出来，并可以根据用户位置做出相应调整；如果举起相机，商店中各个商品的位置和介绍就会叠加在一起，形成360度全景纵深图（如图3），起到增强现实效果的作用；此外，当不小心丢失了某个重要物品时，可以通过手机轻松定位该物体，并将其位置传送到屏幕上，这简直是“马大哈”和“小迷糊”们的福音，从此以后再也不用担心丢东西啦。
　　LoT的实现，依托的是一套自组织网络以及定位网络系统，这个系统假设所有的定位都是通过设备与设备间的距离测量以及动态构建自组织网络来进行的。设备与人之间的距离测量也可以通过相机和计算机视觉技术、超声波探测，或者基于无线频段的雷达来实现，希望先了解雷达测距的读者可以参考笔者在本书的另一篇文章——《雷达照进商业》。目前关于LoT最普及的测距方法是利用iBeacon技术（见图4）。iBeacon主要基于低功耗蓝牙技术（Bluetooth Low Energy，简称BLE）。通常只需要一个纽扣电池就可以持续工作至少一年。除了能提供低速率（10KB／s）的通信和信息传输之外，iBeacon之间还可以通过测量电磁波信号强度（Returend Signal Strength Index， 简称RSSI）来间接计算iBeacon之间的物理距离。
　　除了iBeacon之外，也有不少其他测距的方法，比如通过超声波、磁场变化、激光镭射，或者超宽频技术来实现物体间的定位。这些方法都是利用测量信号的飞行时间差来计算距离。这些技术有的已经非常成熟，可以投入到特定的商业应用中去，有的仍然在研发阶段，仍需时日才能大规模量产。图5列举了目前市面上可见的一些区别于iBeacon的定位方案以及测距技术。
　　……

任化龙

Lab 126软件工程师

斯坦福大学计算机科学硕士

高路

Google/Nest Labs资深传感器工程师

杜克大学机械工程系博士

王文弢   

苹果公司下一代输入技术硬件工程师

麻省理工学院（MIT）机械工程博士

戎亦文  

硅谷创业公司产品开发负责人

前苹果手机产品开发项目经理

斯坦福大学电子工程系博士

李宇骞

谷歌软件工程师

杜克大学计算机系博士

张晓

谷歌研究院软件工程师

清华大学和微软研究院联合培养博士

王辉亮

斯坦福大学材料系博士、

生物工程系博士后

时珍

斯坦福遗传和发育生物系博士后

哈佛大学遗传和分子生物学博士

王雅琦

伯乐生命（Bio-Rad）下一代基因测序和

数字PCR高级科学家

布朗大学化学系博士

李凌宇

斯坦福大学医学院发育生物学博士后

中科院上海生命科学研究院博士

杨文婷

Genenexus CEO

硅谷科技创业讲座“Big Bang Talk”发起人

斯坦福大学系统生物学博士后

刘蜀西

约翰霍普金斯医学院及美国国立卫生研究院院博士后

中科院神经科学研究所博士

赵悦

斯坦福大学高能理论物理博士后

罗格斯大学物理系博士

顾志强

前谷歌[X]、

苹果人机交互实验室研发工程师

杜克大学计算机博士

胡延平

FutureLabsFL未来实验室创始人

DCCI与未来智库创始人

　　未来世界，将会怎样？　　房子都漂浮在半空中，人类再也不用深受地震和海啸的威胁；传感器能够小得如同沙粒一般，搜救工作再也不会费时费力；需要两个壮汉才能搬动的大屏幕电视，一个人便可以像卷海报那样轻松拎回家；遭遇不测而无法恢复的皮肤，可以换成全新的人造皮肤，不仅健康美观，还能24小时检测你的健康状况；万物达到高度互联，能感知到彼此的存在……　　来自硅谷一线的15位作者在这本书中向我们显现了21项将会改变我们未来生活、让人脑洞大开的前沿科技。他们当中有前谷歌[X]实验室成员、苹果下一代输入技术硬件工程师、NestLabs资深传感器工程师、致力于让人类活得更健康的斯坦福医学博士后……他们从各自擅长的领域向我们展示了，在未来，哪些黑科技会让现在看起来不可能的奇异事件变成现实。　　技术支持by未来实验室（FutureLabsFL）　　黑科技地图高清电子版下载请访问网址：　　www.futurelabs.tech　　未来星球国际大奖（Future Planet  Prize）　　前沿科技领域一个科学（Science）与技术（Technology）并重的国际性技术大奖，融汇科学层面的基础研发和企业层面的技术研发，促动Intelligence Technology各细分领域的技术进步和融合发展。基于“科技-自然-人”的价值视角，奖励有益于创新探索的技术进步，资助兼备“科技-自然-人”技术价值观的团队和个人。关注访问网址：www.futurelabs.tech

序一 创新科技，连接未来  文/马化腾
序二 今天的黑科技可能会孵化出明天的谷歌、特斯拉  文/杨元庆
序三 如何认知未来至为关键   文/李开复
序四 新一轮改变世界的浪潮正在到来  文/雷军
序五 是前沿科技探索，也是触碰未来的翅膀  文/贾跃亭
序六 阅读这本书，让我感觉好像生活在另一个新的世界里  文/吴晓波
前言 黑科技地图：浮现中的未来星球/ 1
1 人体增强/ 1
外骨骼、动力机甲，人与智能机器走向“合体”
2 雷达照进商业/ 11
不只是隔空操作，更是视觉与交互的颠覆性改变
3 磁力魔法/ 27
从漂浮滑板到悬浮住宅，技术创造奇幻真实
4 距离几何学/ 43
空间测距、定位网络，互联、物联时空的新基准
5 虚拟现实/ 59
感官世界与人机交互，正在到来的未来不只是一重“视界”
6 智能微尘/ 71
一切皆可被感知、遍布微传感器的世界即将来临
7 三维成像/ 89
计算的交互与图形时代正在到来，在三维、全息、光场里创造“真实”
8 计算博弈/ 111
除了决策、合作、资源优化，数据模型算法还能带来和谐世界吗？
9 深度学习/ 133
赋能人工智能，让机器人比人更聪明
10 柔性电子/ 149
可折叠显示器、人造电子皮肤，设备、人及机器人的融合共生
11 延寿抗衰/ 161
调节生命长度的密钥存在吗？已经是老龄化社会了，还能更长寿吗？
12 基因编辑/ 173
一场由酸奶引发的新革命，DNA 的众妙之门已然打开，人类准备好了吗？
13 下一代基因测序/ 187
DNA 摩尔斯密码的翻译器，生命基础科学的历史性突破，多路力量比拼
速度、成本与精准度
14 从克隆到人类多能干细胞/ 207
从神秘的克隆技术到万众瞩目的iPS 细胞，成熟体细胞被诱导回多能干
细胞状态，一根毫毛真的可以变成一只猴子？器官再生的序幕即将拉开？
15 器官再生/ 221
巧施三十六计，细胞分化、诱导，多能细胞培养器官的重重尝试，移植的福音
来了吗？
16 心脏修复/ 237
用脂肪细胞修补一颗受伤的心：从脂肪组织分离并体外培养获得脂肪基质/
干细胞，利用适当的生长因子和蛋白质调制成的“鸡尾酒”，可以诱导脂肪
基质/干细胞分化成为心肌细胞和血管内皮细胞
17 脑计划/ 251
媲美阿波罗计划的奥巴马工程，脑虹、CLARITY、光遗传学、超分辨率光学
显微、激光片层扫描显微技术……美欧日中科技竞逐，探索大脑奥秘
18 纳米颗粒智能新药/ 279
火眼金睛，靶向进攻癌细胞，可控性释药，热疗法，智能新药即将横空出世？
19 纳米颗粒医疗设备/ 297
身体里的大内密探，自由穿越，采集疾病信号，实时健康监测，十八般武艺
样样精通
20 暗物质探索/ 311
星际旅行的技术先导？相关基础学科研究不仅出于好奇心，物理基础理论
的突破可能带来下一步的技术革新
21 天空互联网：连接未来世界/ 329
Sky-Fi网络平台的基础载体未来会是无人机、热气球、飞艇、卫星中的哪一个？未来每个人会首先接入天地一体的天网？WiFi会有多超级？移动自组网会使得自联网成为主流吗？星际互联网是不是人类网络的终极边界？