有人說(shuō)硬件技術(shù)將很快達(dá)到極限，而在我們看來(lái)，硬件創(chuàng)新，尤其是中國(guó)硬件工程師的創(chuàng)新，還遠(yuǎn)未走到盡頭，而只是剛剛開始。作為致力于為全球硬件開發(fā)者提供技術(shù)共享服務(wù)的平臺(tái)，與非網(wǎng)母公司SupplyFrame旗下最大的全球硬件開發(fā)者社區(qū)Hackaday．com已連續(xù)三年舉辦全球硬件開發(fā)者大賽Hackadayprize，有超過(guò)3000多個(gè)硬件團(tuán)隊(duì)在這個(gè)賽事中互動(dòng)交流、切磋技藝。

這個(gè)《硬件改變世界》系列，我們挑選在前幾屆Hackadayprize大賽中獲獎(jiǎng)的優(yōu)秀作品加以展示，硬件技術(shù)可以多有意思，硬件開發(fā)者可以多有創(chuàng)意，從這些作品中你可以看到。

2019年3月，Hackadayprize中國(guó)區(qū)賽事將隆重開啟，我們很期待看到國(guó)內(nèi)的硬件開發(fā)者大開腦洞、大展技藝。你準(zhǔn)備好了沒(méi)，與來(lái)自全球的硬件開發(fā)者同臺(tái)PK？

迄今為止，所有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備都提供了和現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互的環(huán)境，這個(gè)環(huán)境是由計(jì)算機(jī)生成的感知信息。相比之下，EmotiGlass項(xiàng)目探索了用計(jì)算機(jī)調(diào)制用戶情感感知的方式。我們的項(xiàng)目旨在開發(fā)第一款“調(diào)控情緒現(xiàn)實(shí)”設(shè)備。EmoTIGlass在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域開啟了新的應(yīng)用，其中情感偏差可以由計(jì)算機(jī)應(yīng)用操控。此外，EmoTIGlass還擁有治療應(yīng)用，可以幫助患者控制壓力和焦慮。

背景

當(dāng)你忽然看到狗的時(shí)候，你是高興還是害怕？當(dāng)你周圍有其它種族的人時(shí)你感到舒服嗎？我們通常認(rèn)為，我們周圍的事件引起的情感取決于我們的偏見(jiàn)和先前的經(jīng)驗(yàn)。確實(shí)是，但是當(dāng)理解我們的大腦如何將情緒內(nèi)容與我們的感知聯(lián)系起來(lái)時(shí)，除了眼睛看到的，還有很多東西。

我們開發(fā)了一套可植入的心臟醫(yī)療設(shè)備，幾個(gè)月前，我們發(fā)現(xiàn)了一篇期刊文章，它引起了我們的好奇心。在本文中，來(lái)自倫敦大學(xué)的研究人員和他們的同事表明，在心臟循環(huán)的不同時(shí)期呈現(xiàn)的圖像會(huì)導(dǎo)致受試者會(huì)在情感上感知圖像的方式發(fā)生變化。

該報(bào)告指出，通過(guò)改變圖像呈現(xiàn)的時(shí)間，可以明顯調(diào)節(jié)種族偏見(jiàn)。在這項(xiàng)研究中，持有各種物體的深色皮膚或者淺色皮膚的個(gè)體圖片呈現(xiàn)與心臟收縮或者放松一致。結(jié)果顯示，如果圖像是在心臟收縮期間出現(xiàn)，當(dāng)被深色皮膚的手抓住時(shí)，受試者明顯錯(cuò)誤地將無(wú)害物體識(shí)別為武器。非常好！

來(lái)自倫敦大學(xué)的一個(gè)小組進(jìn)行了一項(xiàng)相關(guān)研究，通過(guò)這項(xiàng)研究，他們發(fā)現(xiàn)感覺(jué)處理取決于與心跳時(shí)間相關(guān)的刺激時(shí)間。尤其是，疼痛的感知—被情緒強(qiáng)烈?guī)Q于在心動(dòng)周期中何時(shí)將有害刺激傳遞給受試者。

這些影響背后的機(jī)制似乎是刺激引起情緒喚醒，這取決于大腦從身體內(nèi)部血壓傳感器（壓力感知器）接收的信號(hào)。簡(jiǎn)單地計(jì)算針對(duì)心動(dòng)周期的刺激傳遞可以改變大腦處理刺激的方式。

刺激的時(shí)間成分不僅可以改變其引起的情緒，空間成分也對(duì)視覺(jué)場(chǎng)景的情感感知產(chǎn)生重大影響。在他的令人興奮的著作“兩中思想：雙腦心理學(xué)的科技革命”中，哈佛醫(yī)學(xué)院精神病學(xué)教授兼麥克萊恩醫(yī)院出席精神病學(xué)家Fredler Schiffer博士表示，通過(guò)選擇性地阻止視野進(jìn)入大腦一個(gè)半球的做法可以引發(fā)非常明顯的情緒。

在視覺(jué)場(chǎng)景中的時(shí)空變化也會(huì)引起情緒反應(yīng)的深刻改變。EMDR（眼動(dòng)脫敏和再處理）是一種已知的心理治療技術(shù)，其中引起側(cè)向眼睛運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為解鎖了可用于再處理創(chuàng)傷事件的記憶機(jī)制。在外部治療環(huán)境外，視野的輕微左右掃視似乎減少了令人痛苦事件的情緒影響。

EmoTIGlass項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)一對(duì)主動(dòng)式眼鏡，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)或者空間分布來(lái)控制選擇性地遮擋視力，以便允許計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)的情感感知。與通過(guò)計(jì)算機(jī)生成的內(nèi)容限制自身以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備不同，我們的目標(biāo)是開發(fā)第一款允許計(jì)算機(jī)調(diào)制實(shí)際的情緒內(nèi)容的設(shè)備。（編輯有感：這個(gè)功能太可怕了，先不說(shuō)眼鏡本身的功能，僅調(diào)制情緒這一項(xiàng)如果實(shí)現(xiàn)，人工智能機(jī)器人的“無(wú)感情”缺憾就能彌補(bǔ)了，如果再高度仿真，人類還有存在的必要嗎？）

圖1： EmoTIGlass的概念視圖

圖2： EmotiGlass的概念模塊框圖

圖1展示了EmotiGlass護(hù)目鏡的概念圖，而圖2展示了可能的模塊框架。這個(gè)概念要求具有多像素光閘的眼鏡框架，其可由一個(gè)片上微控制器控制選擇性地同步遮擋視覺(jué)范圍，同時(shí)心動(dòng)周期由光電薄膜傳感器或者ECG頻道來(lái)檢測(cè)?，F(xiàn)實(shí)情緒效價(jià)可由計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)，或者用戶通過(guò)用戶界面調(diào)節(jié)。方便起見(jiàn)，眼鏡包括所有的實(shí)時(shí)電子設(shè)備，而操作模式控制可以通過(guò)BLE無(wú)線連接實(shí)現(xiàn)。

EmotiGlass的治療應(yīng)用顯然可以幫助控制壓力和焦慮。然而，EmotiGlass在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域開啟了全新的應(yīng)用。例如：警察和其它急救人員的情感偏見(jiàn)可以受到抑制，以減少不必要的武力使用。另一方面，增加的情緒喚醒可以用于娛樂(lè)應(yīng)用，增強(qiáng)電影和游戲的情節(jié)效果。

運(yùn)作方式

視覺(jué)遮擋同步到壓力感受器激活

事實(shí)證明，無(wú)論這些信號(hào)是否有意識(shí)，大腦的內(nèi)臟傳入信號(hào)都會(huì)影響到思考、感受和行為。比如，Critchley及其在Sussex大學(xué)的合作者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，大腦的情感中心更容易發(fā)現(xiàn)恐懼，并且在心臟收縮期間出現(xiàn)的刺激所產(chǎn)生的情緒明顯高于舒張期的刺激所產(chǎn)生的情緒。

在這些實(shí)驗(yàn)中，主觀和大腦反應(yīng)被監(jiān)測(cè)到呈現(xiàn)在心臟收縮之前和期間呈現(xiàn)的面部表情照片。在收縮期出現(xiàn)時(shí)，惡心的面部表情更強(qiáng)烈，并且在表達(dá)惡心和幸福后，反彈心率增長(zhǎng)降低。神經(jīng)影像研究表明，大腦情緒中樞的活動(dòng)隨心臟周期的變化而變化。

正如背景資料所述，這種取決于時(shí)間變化的變化會(huì)影響情緒判斷，而且影響非常強(qiáng)烈，因此測(cè)試對(duì)象在對(duì)黑皮膚的人持有類似武器的物體做識(shí)別時(shí)會(huì)犯錯(cuò)，但是當(dāng)圖像是在心臟收縮期呈現(xiàn)的，在白皮膚的人持有時(shí)則不會(huì)犯錯(cuò)。

毫無(wú)爭(zhēng)議，內(nèi)臟和情緒過(guò)程之間存在著緊密的聯(lián)系，并且身體中接收內(nèi)部信息的區(qū)域?qū)η楦信袛嗑哂袕?qiáng)烈影響。因此，在心動(dòng)周期期間進(jìn)行選擇性視覺(jué)遮擋，可以針對(duì)某一場(chǎng)景調(diào)節(jié)情緒反應(yīng)。如圖3所示，視覺(jué)消隱通過(guò)ECG信號(hào)或者體積描記信號(hào)（當(dāng)血液進(jìn)入并離開拾取傳感器附近的小血管時(shí)，使用從皮膚反射的光來(lái)監(jiān)測(cè)）與心臟活動(dòng)同步。

圖3： 視覺(jué)遮擋可以與ECG的左上角（左）同步或者當(dāng)脈沖體積描記信號(hào)超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)應(yīng)用。

光電容積描記術(shù)可能是更好的選擇，因?yàn)樗恍枰粋€(gè)LED和一個(gè)與皮膚接觸的光電傳感器就能檢測(cè)。耳垂和顱骨是放置這種傳感器的最好測(cè)試點(diǎn)，并且不需要定時(shí)，因?yàn)樵谀切┪恢蒙蠙z測(cè)到的壓力信號(hào)實(shí)際上與現(xiàn)有的激發(fā)大腦的壓力感受器的壓力信號(hào)一樣。

側(cè)腦刺激

眾所周知，對(duì)腦裂患者的研究表明，右腦和左腦可能有自己的心理和行動(dòng)，右側(cè)可以擁有完整的智力，并且與人的左側(cè)意識(shí)分離，經(jīng)常超出意識(shí)。Fredric Schiffer博士是哈佛醫(yī)學(xué)院精神病學(xué)教授兼McLean醫(yī)院的主治精神病學(xué)家，已經(jīng)證明這種情況不僅在腦裂患者身上存在，而是每個(gè)人都有兩種自主思想—一個(gè)與左腦有關(guān)，一個(gè)與右腦有關(guān)，在健康的個(gè)體中，這兩種思想和諧地合作，達(dá)到個(gè)性的平衡。

然而，當(dāng)兩種思想之間存在強(qiáng)烈的不平衡時(shí)，會(huì)出現(xiàn)令人不安的行為癥狀，因?yàn)檫@兩種自主思想之間可能形成不健康的人際關(guān)系，因此適用于兩個(gè)人之間的相同類型的心理問(wèn)題和沖突，可能也適用于一個(gè)人的兩種思想之間。因此，占有優(yōu)勢(shì)的半球可以顯著地、負(fù)面地影響一個(gè)個(gè)人的個(gè)性。

Schiffer博士使用眼鏡有選擇性地遮擋視覺(jué)，只刺激一側(cè)大腦，具有靜態(tài)透明和不透明的區(qū)域，以便有選擇性地只刺激右腦或者左腦（圖4）。當(dāng)在心理療法期間使用時(shí)，可以要求患者在側(cè)視野之間交替引起他的癥狀的增加或者減少，向他表明他的恐懼只存在于他思想的一部分中。

為了減少壓力和焦慮，眼鏡也可以在心理治療期間使用。這些眼鏡具有固定的遮擋區(qū)，因此需要為每個(gè)用戶專門構(gòu)造?；赟chiffer的研究，其他人設(shè)計(jì)了具有可以移動(dòng)屏幕的治療眼鏡，有選擇性地遮擋患者的視覺(jué)。比如，在美國(guó)專利No． 6，141，797“具有可開窗的不透明護(hù)眼鏡”（如：圖4），Robert Buck描述了具有可移動(dòng)不透明窗戶的眼鏡。

圖4： Fredric Schiffer使用該類型的護(hù)眼鏡有選擇性地遮擋視覺(jué)，讓大腦只有一側(cè)刺激。

這些用于選擇性橫向刺激的眼鏡是簡(jiǎn)單的裝置，通過(guò)該裝置不能精確地控制時(shí)空分布以及遮擋面積的大小。另外，這些裝置看起來(lái)不像普通的眼鏡，因此需要注意的是，這在有治療壓力、焦慮或者其它精神障礙時(shí)，可能是不希望的。

相比之下，EmotiGlass護(hù)目鏡可以選擇性地阻擋受試者的視覺(jué)區(qū)域，并且具有可控制的空間分配和遮擋區(qū)域大小，同時(shí)保持一副普通太陽(yáng)鏡的外觀。

這種模式背后的科學(xué)真是讓人著迷！基礎(chǔ)原則是右腦和左腦能夠有自己的心靈和行動(dòng)，右半球可以擁有完整的智力，與一個(gè)人的左側(cè)思想分開，往往超出意識(shí)。

如此看來(lái)，一個(gè)人可以有兩種自由思想，一個(gè)與左腦有關(guān)，一個(gè)與右腦有關(guān)。Schiffer 已經(jīng)證明，這兩種自主思想之間可以形成一種人和人之間的關(guān)系，因此兩個(gè)人之間使用的相同類型的心理問(wèn)題和沖突，可能適用于一個(gè)人的兩種思想之間。占有優(yōu)勢(shì)的半球可以明顯地決定一個(gè)人的個(gè)性。

比如，一個(gè)人的左側(cè)思想可能“支配”并“壓制“他的右側(cè)思想。另外一些人，右側(cè)思維可能占主導(dǎo)地位。在精神健康的人群中，兩種思想在互相尊重和合作的基礎(chǔ)上共存。然而，當(dāng)兩種思想之間存在強(qiáng)烈的不平衡時(shí)，可能出現(xiàn)令人不安的癥狀。

根據(jù)Schiffer的實(shí)驗(yàn)，那些受情緒創(chuàng)傷影響的人可能會(huì)對(duì)這種影響產(chǎn)生偏倚，這可能是為了維持正常運(yùn)作。一個(gè)半球或另一個(gè)半球在過(guò)去被卡住，并通過(guò)患者的癥狀起作用。

Schiffer已經(jīng)證明，通過(guò)將視力限制，在與大腦的特定半球相連的眼睛視網(wǎng)膜的一部分，可以優(yōu)先刺激該半球，引起可能對(duì)治療有益的心理狀態(tài)變化。這是可能的，因?yàn)檠劬B接到大腦，使人的左側(cè)視覺(jué)主要達(dá)到相對(duì)的（右）半球，并且人的右側(cè)視力主要達(dá)到左半球。圖5顯示，物體的圖像由鏡片投射到視網(wǎng)膜上。

每個(gè)視網(wǎng)膜分成內(nèi)側(cè)和外側(cè)。投射到左眼視網(wǎng)膜外側(cè)的圖像點(diǎn)直接進(jìn)入大腦的左半球，而點(diǎn)投射到左眼視網(wǎng)膜內(nèi)側(cè)的點(diǎn)則直接進(jìn)入大腦的右半球。同樣，投射到右眼視網(wǎng)膜外側(cè)的點(diǎn)則進(jìn)入大腦的右半球，而投射在右眼視網(wǎng)膜內(nèi)側(cè)的點(diǎn)則進(jìn)入大腦的左半球。由視神經(jīng)傳送到一個(gè)半球的圖像可以通過(guò)胼胝體傳遞到另一個(gè)半球。

圖5：眼睛和大腦之間的連接

左側(cè)：健康

右側(cè)：裂腦患者的側(cè)視視力

對(duì)于側(cè)向腦刺激模態(tài)，眼鏡需要遮擋視野，使得只有支配左腦或右腦的視網(wǎng)膜部分被場(chǎng)景照亮。這需要至少三個(gè)不同的垂直區(qū)域，如圖6所示。

圖6：側(cè)向腦刺激的遮擋分布。 左圖顯示通過(guò)直接神經(jīng)支配（來(lái)自右視網(wǎng)膜的外側(cè)面）和對(duì)側(cè)神經(jīng)支配（來(lái)自左側(cè)視網(wǎng)膜的內(nèi)側(cè)面）優(yōu)先刺激受試者的右腦半球的配置。

眼鏡的正面需要能夠創(chuàng)建一個(gè)大約1cm寬的透明窗口，并且它是可編程的，從而可以為每個(gè)人進(jìn)行微調(diào)。良好的可編程范圍在4mm到20mm之間，分辨率為2mm。必須注意的是，由于視野的遠(yuǎn)端周圍的視力是低分辨率，所以側(cè)快門可以由簡(jiǎn)單的光閥（沒(méi)有像素，每側(cè)一個(gè)）替代，而不會(huì)損失治療效果。

掃視視覺(jué)刺激

眼動(dòng)運(yùn)動(dòng)脫敏和再處理（EMDR）療法誕生于1987年，當(dāng)時(shí)心理學(xué)家Francine Shapiro博士意識(shí)到側(cè)眼動(dòng)作似乎可以減少令她痛苦的記憶的負(fù)面情緒。她假設(shè)眼球運(yùn)動(dòng)具有脫敏作用，并在受控的臨床條件下進(jìn)行測(cè)試。

這一概念產(chǎn)生了一種標(biāo)準(zhǔn)程序，常用于治療心理創(chuàng)傷受害者。盡管潛在的機(jī)制尚不清楚，但已假設(shè)眼睛的左右移動(dòng)激活了負(fù)責(zé)REM睡眠的相同神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明實(shí)際的眼球運(yùn)動(dòng)不是必需的，并且可以通過(guò)視野的光圖案中的左右運(yùn)動(dòng)來(lái)引發(fā)相同的神經(jīng)激活。

因此，假設(shè)通過(guò)EmotiGlass來(lái)回掃描一個(gè)透明窗戶，將減少令人痛苦事件的情緒影響。

圖7：EmotiGlass護(hù)目鏡的掃描視覺(jué)刺激

如圖7所示，對(duì)于這種模式，透明窗口應(yīng)寬大約1cm，而遮擋區(qū)域的不透明度應(yīng)具有約為透明窗口的20％的可編程范圍，并且高達(dá)100％。固化正面體驗(yàn)的近似掃描頻率約為0．5至1Hz，而創(chuàng)傷性存儲(chǔ)器的再處理是在掃描頻率高達(dá)3Hz的治療設(shè)置中完成的。最常見(jiàn)的空間模式是簡(jiǎn)單的側(cè)向，但也使用對(duì)角線或8字形掃描，特別是與快速移動(dòng)相結(jié)合。

Interoreceptive意識(shí)是我們對(duì)自己內(nèi)心感受的敏感性，我們的身體會(huì)收集信息，使我們感到饑餓、飽腹感、瘙癢、內(nèi)部疼痛、惡心，需要浴室，止癢，體力消耗，從而喚起其它內(nèi)部狀態(tài)。

來(lái)自內(nèi)部感知系統(tǒng)的感覺(jué)提醒我們，我們的內(nèi)部系統(tǒng)正在失去平衡，需要我們采取行動(dòng)來(lái)恢復(fù)平衡。 例如，口渴的感覺(jué)迫使我們喝水，以恢復(fù)身體的電解質(zhì)濃度，這是由于液體流失到汗液和排尿所致。我們感知、概念化和記憶我們的情感體驗(yàn)和其他認(rèn)知過(guò)程的方式中，內(nèi)在感受也很重要，這些感覺(jué)讓我們感受到了自己的情感。

例如，在公開演講之前，我們可能會(huì)感到心跳加速，輕微的惡心，肌肉緊張和手中的顫抖。如果沒(méi)有這些感覺(jué)會(huì)使人難以清楚地識(shí)別出焦慮和緊張的情緒。不用解釋，我們的內(nèi)部感知信號(hào)本身會(huì)導(dǎo)致焦慮，許多生物反饋技術(shù)實(shí)際上依賴于幫助人們學(xué)習(xí)如何“閱讀”他們自己的身體。例如，一項(xiàng)運(yùn)作良好的研究表明，改善患有醫(yī)學(xué)上無(wú)法解釋的癥狀的患者的心跳感知可以減少癥狀的困擾。 EmotiGlass護(hù)目鏡配備齊全，可以為用戶提供直接的心跳反饋，例如，通過(guò)與側(cè)面體積信號(hào)同步地對(duì)側(cè)板進(jìn)行調(diào)光。實(shí)際上，在對(duì)受試者進(jìn)行“訓(xùn)練”將側(cè)面調(diào)光視為心跳的代理之后，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)人為地調(diào)節(jié)調(diào)光的節(jié)奏改變用戶的情緒狀態(tài)。

自動(dòng)太陽(yáng)鏡

雖然不是用于調(diào)節(jié)用戶的情緒反應(yīng)的功能，但是通過(guò)添加光傳感器可以輕易地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變暗的太陽(yáng)鏡，所以為什么不呢？