楊静が奥飛寺、QbitAIから報告 | WeChat公式アカウント

具現化された知能が今日最も人気のある技術トレンドの 1 つになったことは疑いの余地がありません。

しかし、脳、目、耳、手足の協調といった人間の基本的な能力と比較すると、ロボットは身体的な作業を行う際にまだ不器用に見えます。

△出典：QuantumBitシンクタンク「中国AIGC産業パノラマレポート」

ロボットをより柔軟に動かすにはどうすればよいでしょうか?

すべての行動の出発点として、知覚システムは特に重要です。

北京大学の張大慶教授は、従来の視覚と聴覚による方法に加えて、新たなアプローチを提案しています。

ワイヤレスセンシング。

Wi-Fiや5Gなどの無線信号を利用して、壁越しに物体をミリメートル単位の精度で検知することで、カメラなどのデバイスの検知範囲の限界を克服します。さらに、ハードウェアはすぐに入手でき、携帯電話でも使用できるため、追加コストはごくわずかです。

ロボットが高齢者の日常生活を総合的に支援できるようになる日も近いかもしれません。

さらに、6G 時代の到来により、私たちが日常的に使用するモバイル デバイスで人の呼吸や心拍を遠隔的に感知できるようになるかもしれません。

張大慶とは誰ですか？

張大慶氏は、国際的にインテリジェントセンシング研究に最も早く着手した中国人科学者の一人であり、20年以上にわたりコンテクスチュアル・アウェアネスの分野に深く関わってきました。彼の教え子の多くは、中国におけるこの分野を牽引する若手・中堅の人材へと成長しました。現在、張大慶氏は北京大学の教授職と欧州科学アカデミーの院士を務めています。

過去10年間、彼らはユビキタス無線センシングの秘密を理論的に解明し、様々な無線信号の包括的な利用を開拓してセンシングの限界を探求し、これらの技術をヘルスケア、ウェルネス、セキュリティなどの業界に応用し始めました。そして今、彼らはさらに最先端の研究分野を開拓しています。

量子無線センシング。

無線センシングは今、どの段階に達しているのでしょうか？ どうすれば体現知能の「第六感」になれるのでしょうか？ 量子無線センシングとは何でしょうか？ QuantumBitはこれらの疑問について、張大慶教授に話を伺いました。

具現化された知性の「第六感」を探る

身体知能は物理世界の知覚に基づいています。張大慶氏は、知覚の次元と精度が不十分であれば、身体知能の発展には限界があると率直に述べています。

音声および視覚センシング技術はディープラーニングの発展により成熟しましたが、ワイヤレスセンシング技術には依然として大きな発展の可能性があります。

現在のレベルに到達するまでに数十年を要したロボット工学と同様に、ユビキタス無線センシング技術も開発が始まってまだわずか 10 年余りであり、さらに成熟するにはまだ時間が必要であることを意味します。

張大慶教授は、 Wi-Fiセンシング規格IEEE 802.11bfの策定と来年のリリース予定、および2030年の6Gセンシング規格の立ち上げ計画により、これら2つの規格の出現により、ユビキタス無線センシング技術の広範な応用が促進されるだろうと述べた。

企業と協力して現在進行中のプロジェクトから、いくつかの具体的な応用シナリオを垣間見ることができます。

• たとえば、あなたが寝ている間に、携帯電話はあなたの呼吸、心拍数、睡眠パターンを監視できます。
• 一人暮らしの高齢者の部屋を一つ一つ確認し、転倒していないか確認する。
• 運転を支援する際には、ドライバーが疲労していないか、車内に子供やペットが残されていないかなどを判断できます。
• 手を振るだけで、機器に触れることなくキッチン家電を操作できます。
• エアコンや扇風機は、室内の人数や位置を自動的に感知し、風速や風向をリアルタイムで調整できます。

ワイヤレス センシングは、利便性とインテリジェントなエクスペリエンスをもたらすだけでなく、次のような比類のない固有の利点も備えています。

まず、コストが低い。日常的にインターネットにアクセスする際に使用するWi-Fi、4G、5Gの信号とデバイスのみで実現でき、Wi-Fiやミリ波チップのコストは数十元、あるいは数元以下だ。技術が成熟すれば、すぐに応用できる。

第二に、プライバシーとセキュリティの問題は比較的軽微です。寝室、浴室、車内などのプライベートな空間では、従来の視覚認識（カメラなど）では深刻なプライバシー問題が生じますが、無線電磁波信号は解像度が低いため、人物の鮮明な画像を自然に生成することができません。

過去 10 年間にわたり、張大慶教授のチームは無線センシングの分野で広範かつ徹底的な研究を行ってきました。

一方で、企業と連携し、バイタルサインモニタリング、睡眠の質のモニタリング、プレゼンスモニタリング、さらには行動認識など、一連のワイヤレスセンシングの成果を実現してきました。

一方、研究対象はWi-Fiセンシングからミリ波、UWB、LoRa、4G、5G、音波など、さまざまな無線信号のセンシング技術へと拡大しています。

張大慶教授のチームは、様々なユビキタス無線信号を対象としたセンシング研究を行っている唯一のチームであると理解されています。周波数帯域、帯域幅、波形といった様々な無線信号の特性を深く理解することで、それらのセンシングにおける優位性や能力の限界を探ることができます。

Wi-Fi などの低周波無線信号は透過能力が強いですが、ミリ波レーダーやテラヘルツ信号は壁越しに検出するのが困難です。

これらの信号を理論的に深く理解することによってのみ、実践と応用をより良く実行できるようになります。

例えば、無線センシングは、アプリケーション実行中のシステム安定性という課題に直面しています。センシング対象、トランシーバーの位置、アプリケーション環境の変化は、システム性能に深刻な影響を与える可能性があります。特に、人間の活動の位置や方向の変化は、受信信号パターンの不一致につながり、システムの誤動作につながる可能性があります。

これまでの研究では、この問題は理論的に説明されておらず、実際的に解決されてもいません。

張大慶氏のチームは、対象物体とトランシーバー装置との位置、速度、軌道、無線信号の変化パターンの関係を正確かつ定量的に記述するフレネルゾーン反射・回折モデルを提案した。

（フレネルゾーンは光学理論から派生した概念であり、送信デバイスと受信デバイス（この研究では、Wi-Fi信号の送信機と受信機）の2つのポイントに焦点がある一連の同心円状の楕円を指します。）

研究チームは、細粒度の呼吸検知と粗粒度の人間行動認識を例に挙げ、フレネルゾーンモデルに基づいて、システムが安定して動作しない理由、同じ行動で一貫性のない信号波形が生成される理由、異なる行動で類似した信号波形が生成される理由を説明しました。また、認識システムの性能を向上させるための手法も提示しました。

無線センシングから量子無線センシングへ

Wi-Fi、5G、LoRaといったユビキタス無線信号は、非接触センシングの可能性を実証し、無線センシングの様々な実用化を可能にしました。しかし、無線周波数ハードウェアの熱雑音などの制約により、ユビキタス無線信号受信デバイスに基づくセンシングの粒度は依然として非常に限られています。

たとえば、Wi-Fi センシングでは、手のジェスチャー (センチメートル単位の手の動き) や呼吸数 (ミリメートル単位の胸の変位) を検出できますが、人の心拍など、ミリメートル未満の現象を感知するのは依然として困難です。

Zhang Daqing 氏のチームは量子原理に注目し、量子無線センシングに関する予備調査を実施しました。

量子技術は現在、主に量子コンピューティングと量子通信という2つの分野に焦点を当てていることが分かりました。初期の原子時計や原子磁力計における量子離散特性に基づく代表的な成果に加え、量子干渉や量子もつれといった原理に基づく量子センシングは依然として探索段階にあります。

特に、量子電磁気センシングおよび検出の分野では、体系的かつ実用的な成果はまだ達成されていません。

張扶桑氏と共同研究者は昨年10月、 Mobicom 2023で論文を発表し、その性能はミリ波レーダーを1桁上回る、リュードベリ原子に基づく世界初の量子無線非接触振動センシングプロトタイプシステムを実証した。

量子受信機は、主に「リュードベリ原子」の特性に基づいて設計されています。基本原理は、原子内の電子が特定のエネルギーレベルにある特定の周波数の電磁波の影響を受けると、異なるエネルギーレベルに励起され、対応する周波数の無線周波数信号を検出できるというものです。

例えば、2.4GHzのWi-Fi信号を受信すると、電子は66D5/2のエネルギー準位から67P3/2のエネルギー準位に遷移します。異なるエネルギー準位の遷移は、異なる周波数の電磁信号に対応します。

量子物理学では、高エネルギー電子（つまり、レベル 20 以上の電子）を持つ原子は、リュードベリ原子と呼ばれます。

リュードベリ原子を生成するために、研究チームは量子受信機としてセシウム原子を充填した長さ2.5センチメートルの蒸気容器を作成した。

レーザービームを制御してセシウム原子で満たされた蒸気容器を通過すると、セシウム原子の外側の電子が高エネルギーのリュードベリ状態に励起されます。

特定の電磁環境において対象物が移動すると、無線周波数信号の伝播に影響を及ぼし、信号強度の変化を引き起こします。この変化により、量子受信機におけるレーザースペクトルのピークが分割され、光検出器によって測定されます。

具体的には、特定の周波数の無線周波数信号が特定のエネルギーレベルのリドベリ原子によって感知されると、リドベリ原子のエネルギーレベルの状態が変化し、それが正確に検出されます。

興味深いことに、受信RF信号によって引き起こされるレーザースペクトルのピーク分割とRF信号強度の関係は、単純な線形ではありません。この観察結果から、チームは初期分割を得るために参照RF信号を導入することを思いつきました。これにより、受信RF信号が引き起こすピーク分割の変動量が増加し、結果としてセンシングの粒度が大幅に向上しました。

実験結果によれば、同チームが提案した量子無線センシングシステムは、ミリ波センシングシステムに比べてセンシングの粒度を10倍以上向上させることができるという。

さらに Wi-Fi およびミリ波センシング システムと比較した結果、研究チームは量子無線センシングに次の 2 つの重要な利点があることを発見しました。

1. より細かい認識粒度を実現します。

量子受信機を使用してWi-Fi帯域の信号を受信すると、センシング粒度を3ミリメートルから0.1ミリメートルに向上させることができ、ミリ波信号を使用すると、センシング粒度をさらにマイクロメートルレベルにまで向上させることができ、どちらも質的な飛躍をもたらします。

2. 様々な周波数の無線周波数信号を受信できます。

従来の無線周波数受信機は、特定の周波数範囲内で送信機から発信された信号のみを受信することができます。異なる周波数帯域のトランシーバーデバイスでは、異なる周波数の信号を効率的に受信するために、異なるアンテナ設計が必要です。

しかし、量子無線センシングでは、量子受信機は電子を異なるエネルギーレベルに励起するだけで、異なる周波数の無線周波数信号を受信および検出できます。

張大慶氏のチームは、量子無線センシングの実現可能性を検証することに成功しました。今後は、受信信号の帯域幅を拡大し、センシングのシステムコストを削減する予定です。

「意識的に注意を払わないと、どこにでも存在してしまいます。」

ワイヤレスセンシングの分野が大規模モデルと同様に幅広い注目と認知を得る段階にいつ到達するかとの質問に対し、張大慶氏は自身の研究経験を踏まえて次のように述べた。

数十年にわたり科学研究に携わってきた中で、人々が将来有望な新技術、特に奇跡的な技術に出会ったとき、当初の期待は非常に高くなることが多いことに気づきました。期待が高すぎると、進歩が期待に及ばなかったときに、人々はすぐに失望してしまいます。

今私たちが目にしている大型模型のように、人々は非常に大きな期待を抱いています。しかし、2、3年もすれば、この熱狂は必ず冷めてしまいます。人々が多額の資金とエネルギーを投入したにもかかわらず、これらの技術が人類社会に期待されたほど大きな変化をもたらさなかったことが分かれば、当然ながら熱意は薄れていくでしょう。

しかし、あと5年から10年待てば、大規模なモデルが多くの広い分野に適用できるようになり、確かに私たちの生活は徐々に変化していることがわかるでしょう。

ワイヤレスセンシングも同様のプロセスを経ることになります。

同様に、彼が 2000 年に研究した Bluetooth 技術は当時大きな期待を集め、さまざまなヘッドフォンやデバイスの相互接続に広く使用されるだろうと多くの人が信じていました。

2010年までの10年間、Bluetoothの普及は、主に高コストとユーザーエクスペリエンスの不足により、理想的とは言えませんでした。しかし、現在ではBluetoothテクノロジーは数多くのデバイスの相互接続に利用されています。

注意を払わなくなると、それはどこにでもあるものとなり、誰もがそれに慣れてしまいます。

張大慶教授は、現在最も緊急な課題は、無線センシング技術をいくつかの実際のシナリオに適用し、その実用性を実証し、いくつかの業界で徐々に普及させることであると述べた。

2030年頃と予測される6G時代には、日常生活にワイヤレスセンシングのアプリケーションが数多く登場し、当たり前のものになるでしょう。

例えば、自宅では手を振るだけで家電を操作でき、携帯電話で遠隔から呼吸や心拍を常時モニタリングできます。