Lättnad kan vara i horisonten för alla som någonsin har hoppat runt i ett rum som en jack-in-the-box för att få rörelsedetekterande lampor att tända igen, tack vare en ny rörelsessensor baserad på metamaterial som är tillräckligt känslig för att övervaka en persons andning.

I ett par nya studier, forskare från Duke University och Institut Langevin, Frankrike, har visat att mönster gjorda av radiovågor kan upptäcka en persons närvaro och plats var som helst i ett rum.

Resultaten dök upp nyligen i Vetenskapliga rapporter och 6 augusti i Fysiska granskningsbrev .

Denna nya rörelsedetekterande teknik kan leda till nya smarta hemanordningar för energibesparingar, säkerhet, sjukvård och spel.

"Energiföretag älskar inte infraröda rörelsedetektorer eftersom de har många problem, "sa David R. Smith, James B. Duke professor i el- och datateknik vid Duke. "Mängden utrymme de kan täcka är begränsad, en person måste vara inom sin siktlinje för att upptäckas, och förmodligen har alla upplevt att lamporna har släckts eftersom de har suttit stilla för länge. Radiovågor kan komma runt alla dessa begränsningar. "

I sin första uppsats som publicerades tidigare i år, forskarna utnyttjade mönster som skapades av radiovågor som studsade runt i ett rum och stör sig själva. Dessa unika mönster förändras med minsta störning av rummets föremål, låta en känslig antenn upptäcka när något rör sig in eller kommer in i rummet. Och genom att jämföra hur dessa mönster förändras över tiden, de kan också användas för att upptäcka cykliska rörelser som ett fläktblad som vrider sig - eller till och med en person som andas.

I den senaste tidningen, laget visar att med lite träning, systemet kan också extrahera information som är nödvändig för att lokalisera föremål eller människor i ett utrymme. Demonstrationssystemet fick lära sig mönstret av radiovågor spridda av ett triangulärt block placerat i 23 olika positioner på ett golv. Den kalibreringen räcker inte bara för att skilja mellan de inlärda 23 scenarierna, men för att också skilja positionerna för tre identiska block placerade i någon av 1, 771 möjliga konfigurationer.

Tekniken fungerar genom att dra nytta av hur radiovågor beter sig i ett slutet rum. Deras förmåga att kontinuerligt reflektera från flera ytor skapar komplexa störningsmönster i ett rum. Förr, Denna komplexitet har varit ett hinder för system som försöker hitta ursprunget till en signal. Men Smith och hans kollegor har nu visat att samma komplexitet kan utnyttjas för att upptäcka rörelse och lokalisera föremål i ett rum.

"Komplexiteten i hur radiovågor studsar runt i ett rum och stör sig själva skapar ett slags fingeravtryck, "förklarade Philipp del Hougne, en forskare som besöker Smiths laboratorium från Institut Langevin i Paris, Frankrike. "Och varje gång ett objekt i ett rum rör sig, även lite, det fingeravtrycket ändras. "

Utmaningen ligger i att hitta det mest effektiva sättet att bläckfingeravtrycket i första hand. Det kräver mycket information, del Hougne förklarade, och det finns flera traditionella sätt att göra det, men de har alla nackdelar.

Ett stort antal antenner kan installeras på många platser runt ett rum för att ta flera mätningar, men detta skulle bli dyrt och obekvämt. En annan taktik skulle vara att mäta många olika frekvenser, när varje studsar runt i ett rum på ett unikt sätt. Detta tillvägagångssätt, dock, skulle sannolikt skapa störningar med andra radiovågssignaler som Wi-Fi och Bluetooth som fungerar i ett rum.

Forskarnas lösning är att dynamiskt styra vågornas form med hjälp av metamaterial - konstgjorda material som manipulerar vågor som ljus och ljud genom egenskaper hos deras struktur. En platta metamaterialantenn kan forma vågor till godtyckliga konfigurationer och skapa många olika vågfronter i snabb följd.

"Det spelar ingen roll vad de specifika vågformerna är, "sa Smith." Så länge de är olika, detektorn tar upp tillräckligt många olika mönster för att avgöra om något är där och var det är. "

"Det finns andra tekniker som skulle kunna uppnå liknande formningar för vågfrontsformning, men de är mycket dyrare både i kostnad och energianvändning, "sade Mohammadreza Imani, en postdoktor i Smiths lab som också arbetade med tidningarna. "Studier har visat att möjligheten att justera ett rums temperatur när människor lämnar och kommer tillbaka kan minska strömförbrukningen med cirka 30 procent. Men om du försöker spara energi genom att spendera mer energi på att ändra antennmönstret, då hjälper du inte. "

Och energibesparingar kan bara vara toppen av isberget. Möjligheten att räkna antalet personer i ett rum, skilja kroppspositioner och övervaka andningsmönster har också potentiella tillämpningar inom säkerhet, sjukvård och spel.

De franska forskarna på projektet har skapat ett relaterat startföretag som heter Greenerwave.

"Medan vi definitivt fortfarande fortsätter med energivinkeln, vi får också se vart forskningen tar oss, "Sa Smith.