有人說硬件技術(shù)將很快達(dá)到極限，而在我們看來，硬件創(chuàng)新，尤其是中國硬件工程師的創(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，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3000多個硬件團(tuán)隊在這個賽事中互動交流、切磋技藝。

這個《硬件改變世界》系列，我們挑選在前幾屆Hackadayprize大賽中獲獎的優(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中國區(qū)賽事將隆重開啟，我們很期待看到國內(nèi)的硬件開發(fā)者大開腦洞、大展技藝。你準(zhǔn)備好了沒，與來自全球的硬件開發(fā)者同臺PK？

迄今為止，所有增強(qiáng)現(xiàn)實設(shè)備都提供了和現(xiàn)實世界進(jìn)行交互的環(huán)境，這個環(huán)境是由計算機(jī)生成的感知信息。相比之下，EmotiGlass項目探索了用計算機(jī)調(diào)制用戶情感感知的方式。我們的項目旨在開發(fā)第一款“調(diào)控情緒現(xiàn)實”設(shè)備。EmotiGlass在增強(qiáng)現(xiàn)實領(lǐng)域開啟了新的應(yīng)用，其中情感偏差可以由計算機(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)你忽然看到狗的時候，你是高興還是害怕？當(dāng)你周圍有其它種族的人時你感到舒服嗎？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和先前的經(jīng)驗。確實是，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)系起來時，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)的不同時期呈現(xiàn)的圖像會導(dǎo)致受試者會在情感上感知圖像的方式發(fā)生變化。

該報告指出，通過改變圖像呈現(xiàn)的時間，可以明顯調(diào)節(jié)種族偏見。在這項研究中，持有各種物體的深色皮膚或者淺色皮膚的個體圖片呈現(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，受試者明顯錯誤地將無害物體識別為武器。非常好！

來自倫敦大學(xué)的一個小組進(jìn)行了一項相關(guān)研究，通過這項研究，他們發(fā)現(xiàn)感覺處理取決于與心跳時間相關(guān)的刺激時間。尤其是，疼痛的感知—被情緒強(qiáng)烈?guī)Q于在心動周期中何時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。簡單地計算針對心動周期的刺激傳遞可以改變大腦處理刺激的方式。

刺激的時間成分不僅可以改變其引起的情緒，空間成分也對視覺場景的情感感知產(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，通過選擇性地阻止視野進(jìn)入大腦一個半球的做法可以引發(fā)非常明顯的情緒。

在視覺場景中的時空變化也會引起情緒反應(yīng)的深刻改變。EMDR（眼動脫敏和再處理）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項目的目標(biāo)是開發(fā)一對主動式眼鏡，可以通過適當(dāng)?shù)亩〞r或者空間分布來控制選擇性地遮擋視力，以便允許計算機(jī)調(diào)節(jié)用戶對現(xiàn)實的情感感知。與通過計算機(jī)生成的內(nèi)容限制自身以增強(qiáng)現(xiàn)實的增強(qiáng)現(xiàn)實設(shè)備不同，我們的目標(biāo)是開發(fā)第一款允許計算機(jī)調(diào)制實際的情緒內(nèi)容的設(shè)備。（編輯有感：這個功能太可怕了，先不說眼鏡本身的功能，僅調(diào)制情緒這一項如果實現(xiàn)，人工智能機(jī)器人的“無感情”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。這個概念要求具有多像素光閘的眼鏡框架，其可由一個片上微控制器控制選擇性地同步遮擋視覺范圍，同時心動周期由光電薄膜傳感器或者ECG頻道來檢測?，F(xiàn)實情緒效價可由計算機(jī)調(diào)節(jié)，或者用戶通過用戶界面調(diào)節(jié)。方便起見，眼鏡包括所有的實時電子設(shè)備，而操作模式控制可以通過BLE無線連接實現(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應(yīng)用，增強(qiáng)電影和游戲的情節(jié)效果。

運(yùn)作方式

視覺遮擋同步到壓力感受器激活

事實證明，無論這些信號是否有意識，大腦的內(nèi)臟傳入信號都會影響到思考、感受和行為。比如，Critchley及其在Sussex大學(xué)的合作者進(jìn)行的實驗表明，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。

在這些實驗中，主觀和大腦反應(yīng)被監(jiān)測到呈現(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，惡心的面部表情更強(qiáng)烈，并且在表達(dá)惡心和幸福后，反彈心率增長降低。神經(jīng)影像研究表明，大腦情緒中樞的活動隨心臟周期的變化而變化。

正如背景資料所述，這種取決于時間變化的變化會影響情緒判斷，而且影響非常強(qiáng)烈，因此測試對象在對黑皮膚的人持有類似武器的物體做識別時會犯錯，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則不會犯錯。

毫無爭議，內(nèi)臟和情緒過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，在心動周期期間進(jìn)行選擇性視覺遮擋，可以針對某一場景調(diào)節(jié)情緒反應(yīng)。如圖3所示，視覺消隱通過ECG信號或者體積描記信號（當(dāng)血液進(jìn)入并離開拾取傳感器附近的小血管時，使用從皮膚反射的光來監(jiān)測）與心臟活動同步。

圖3： 視覺遮擋可以與ECG的左上角（左）同步或者當(dāng)脈沖體積描記信號超過某個閾值時應(yīng)用。

光電容積描記術(shù)可能是更好的選擇，因為它只需要一個LED和一個與皮膚接觸的光電傳感器就能檢測。耳垂和顱骨是放置這種傳感器的最好測試點，并且不需要定時，因為在那些位置上檢測到的壓力信號實際上與現(xiàn)有的激發(fā)大腦的壓力感受器的壓力信號一樣。

側(cè)腦刺激

眾所周知，對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，右側(cè)可以擁有完整的智力，并且與人的左側(cè)意識分離，經(jīng)常超出意識。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，而是每個人都有兩種自主思想—一個與左腦有關(guān)，一個與右腦有關(guān)，在健康的個體中，這兩種思想和諧地合作，達(dá)到個性的平衡。

然而，當(dāng)兩種思想之間存在強(qiáng)烈的不平衡時，會出現(xiàn)令人不安的行為癥狀，因為這兩種自主思想之間可能形成不健康的人際關(guān)系，因此適用于兩個人之間的相同類型的心理問題和沖突，可能也適用于一個人的兩種思想之間。因此，占有優(yōu)勢的半球可以顯著地、負(fù)面地影響一個個人的個性。

Schiffer博士使用眼鏡有選擇性地遮擋視覺，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，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)，因此需要為每個用戶專門構(gòu)造。基于Schiffer的研究，其他人設(shè)計了具有可以移動屏幕的治療眼鏡，有選擇性地遮擋患者的視覺。比如，在美國專利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，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單的裝置，通過該裝置不能精確地控制時空分布以及遮擋面積的大小。另外，這些裝置看起來不像普通的眼鏡，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，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，同時保持一副普通太陽鏡的外觀。

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，右半球可以擁有完整的智力，與一個人的左側(cè)思想分開，往往超出意識。

如此看來，一個人可以有兩種自由思想，一個與左腦有關(guān)，一個與右腦有關(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，因此兩個人之間使用的相同類型的心理問題和沖突，可能適用于一個人的兩種思想之間。占有優(yōu)勢的半球可以明顯地決定一個人的個性。

比如，一個人的左側(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，可能出現(xiàn)令人不安的癥狀。

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

Schiffer已經(jīng)證明，通過將視力限制，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，引起可能對治療有益的心理狀態(tài)變化。這是可能的，因為眼睛連接到大腦，使人的左側(cè)視覺主要達(dá)到相對的（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)的圖像點直接進(jìn)入大腦的左半球，而點投射到左眼視網(wǎng)膜內(nèi)側(cè)的點則直接進(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)的點則進(jìn)入大腦的左半球。由視神經(jīng)傳送到一個半球的圖像可以通過胼胝體傳遞到另一個半球。

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)膜部分被場景照亮。這需要至少三個不同的垂直區(qū)域，如圖6所示。

圖6：側(cè)向腦刺激的遮擋分布。 左圖顯示通過直接神經(jīng)支配（來自右視網(wǎng)膜的外側(cè)面）和對側(cè)神經(jīng)支配（來自左側(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)建一個大約1cm寬的透明窗口，并且它是可編程的，從而可以為每個人進(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)快門可以由簡單的光閥（沒有像素，每側(cè)一個）替代，而不會損失治療效果。

掃視視覺刺激

眼動運(yùn)動脫敏和再處理（EMDR）療法誕生于1987年，當(dāng)時心理學(xué)家Francine Shapiro博士意識到側(cè)眼動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)動具有脫敏作用，并在受控的臨床條件下進(jìn)行測試。

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)眼睛的左右移動激活了負(fù)責(zé)REM睡眠的相同神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。實驗證據(jù)表明實際的眼球運(yùn)動不是必需的，并且可以通過視野的光圖案中的左右運(yùn)動來引發(fā)相同的神經(jīng)激活。

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

圖7：EmotiGlass護(hù)目鏡的掃描視覺刺激

如圖7所示，對于這種模式，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％。固化正面體驗的近似掃描頻率約為0．5至1Hz，而創(chuàng)傷性存儲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。最常見的空間模式是簡單的側(cè)向，但也使用對角線或8字形掃描，特別是與快速移動相結(jié)合。

Interoreceptive意識是我們對自己內(nèi)心感受的敏感性，我們的身體會收集信息，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)。

來自內(nèi)部感知系統(tǒng)的感覺提醒我們，我們的內(nèi)部系統(tǒng)正在失去平衡，需要我們采取行動來恢復(fù)平衡。 例如，口渴的感覺迫使我們喝水，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和其他認(rèn)知過程的方式中，內(nèi)在感受也很重要，這些感覺讓我們感受到了自己的情感。

例如，在公開演講之前，我們可能會感到心跳加速，輕微的惡心，肌肉緊張和手中的顫抖。如果沒有這些感覺會使人難以清楚地識別出焦慮和緊張的情緒。不用解釋，我們的內(nèi)部感知信號本身會導(dǎo)致焦慮，許多生物反饋技術(shù)實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，一項運(yùn)作良好的研究表明，改善患有醫(yī)學(xué)上無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，通過與側(cè)面體積信號同步地對側(cè)板進(jìn)行調(diào)光。實際上，在對受試者進(jìn)行“訓(xùn)練”將側(cè)面調(diào)光視為心跳的代理之后，可以通過計算機(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)。

自動太陽鏡

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