有人說硬件技術將很快達到極限，而在我們看來，硬件創新，尤其是中國硬件工程師的創新，還遠未走到盡頭，而只是剛剛開始。作為致力于為全球硬件開發者提供技術共享服務的平臺，與非網母公司SupplyFrame旗下最大的全球硬件開發者社區Hackaday．com已連續三年舉辦全球硬件開發者大賽Hackadayprize，有超過3000多個硬件團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大賽中獲獎的優秀作品加以展示，硬件技術可以多有意思，硬件開發者可以多有創意，從這些作品中你可以看到。

2019年3月，Hackadayprize中國區賽事將隆重開啟，我們很期待看到國內的硬件開發者大開腦洞、大展技藝。你準備好了沒，與來自全球的硬件開發者同臺PK？

迄今為止，所有增強現實設備都提供了和現實世界進行交互的環境，這個環境是由計算機生成的感知信息。相比之下，EmotiGlass項目探索了用計算機調制用戶情感感知的方式。我們的項目旨在開發第一款“調控情緒現實”設備。EmotiGlass在增強現實領域開啟了新的應用，其中情感偏差可以由計算機應用操控。此外，EmotiGlass還擁有治療應用，可以幫助患者控制壓力和焦慮。

背景

當你忽然看到狗的時候，你是高興還是害怕？當你周圍有其它種族的人時你感到舒服嗎？我們通常認為，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驗。確實是，但是當理解我們的大腦如何將情緒內容與我們的感知聯系起來時，除了眼睛看到的，還有很多東西。

我們開發了一套可植入的心臟醫療設備，幾個月前，我們發現了一篇期刊文章，它引起了我們的好奇心。在本文中，來自倫敦大學的研究人員和他們的同事表明，在心臟循環的不同時期呈現的圖像會導致受試者會在情感上感知圖像的方式發生變化。

該報告指出，通過改變圖像呈現的時間，可以明顯調節種族偏見。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與心臟收縮或者放松一致。結果顯示，如果圖像是在心臟收縮期間出現，當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！

來自倫敦大學的一個小組進行了一項相關研究，通過這項研究，他們發現感覺處理取決于與心跳時間相關的刺激時間。尤其是，疼痛的感知—被情緒強烈帶偏—取決于在心動周期中何時將有害刺激傳遞給受試者。

這些影響背后的機制似乎是刺激引起情緒喚醒，這取決于大腦從身體內部血壓傳感器（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生重大影響。在他的令人興奮的著作“兩中思想：雙腦心理學的科技革命”中，哈佛醫學院精神病學教授兼麥克萊恩醫院出席精神病學家Fredler Schiffer博士表示，通過選擇性地阻止視野進入大腦一個半球的做法可以引發非常明顯的情緒。

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，其中引起側向眼睛運動被認為解鎖了可用于再處理創傷事件的記憶機制。在外部治療環境外，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項目的目標是開發一對主動式眼鏡，可以通過適當的定時或者空間分布來控制選擇性地遮擋視力，以便允許計算機調節用戶對現實的情感感知。與通過計算機生成的內容限制自身以增強現實的增強現實設備不同，我們的目標是開發第一款允許計算機調制實際的情緒內容的設備。（編輯有感：這個功能太可怕了，先不說眼鏡本身的功能，僅調制情緒這一項如果實現，人工智能機器人的“無感情”缺憾就能彌補了，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實情緒效價可由計算機調節，或者用戶通過用戶界面調節。方便起見，眼鏡包括所有的實時電子設備，而操作模式控制可以通過BLE無線連接實現。

EmotiGlass的治療應用顯然可以幫助控制壓力和焦慮。然而，EmotiGlass在增強現實領域開啟了全新的應用。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用，增強電影和游戲的情節效果。

運作方式

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大學的合作者進行的實驗表明，大腦的情感中心更容易發現恐懼，并且在心臟收縮期間出現的刺激所產生的情緒明顯高于舒張期的刺激所產生的情緒。

在這些實驗中，主觀和大腦反應被監測到呈現在心臟收縮之前和期間呈現的面部表情照片。在收縮期出現時，惡心的面部表情更強烈，并且在表達惡心和幸福后，反彈心率增長降低。神經影像研究表明，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，但是當圖像是在心臟收縮期呈現的，在白皮膚的人持有時則不會犯錯。

毫無爭議，內臟和情緒過程之間存在著緊密的聯系，并且身體中接收內部信息的區域對情感判斷具有強烈影響。因此，在心動周期期間進行選擇性視覺遮擋，可以針對某一場景調節情緒反應。如圖3所示，視覺消隱通過ECG信號或者體積描記信號（當血液進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）同步或者當脈沖體積描記信號超過某個閾值時應用。

光電容積描記術可能是更好的選擇，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有的激發大腦的壓力感受器的壓力信號一樣。

側腦刺激

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，右側可以擁有完整的智力，并且與人的左側意識分離，經常超出意識。Fredric Schiffer博士是哈佛醫學院精神病學教授兼McLean醫院的主治精神病學家，已經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，一個與右腦有關，在健康的個體中，這兩種思想和諧地合作，達到個性的平衡。

然而，當兩種思想之間存在強烈的不平衡時，會出現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，占有優勢的半球可以顯著地、負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，只刺激一側大腦，具有靜態透明和不透明的區域，以便有選擇性地只刺激右腦或者左腦（圖4）。當在心理療法期間使用時，可以要求患者在側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，因此需要為每個用戶專門構造。基于Schiffer的研究，其他人設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使用該類型的護眼鏡有選擇性地遮擋視覺，讓大腦只有一側刺激。

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護目鏡可以選擇性地阻擋受試者的視覺區域，并且具有可控制的空間分配和遮擋區域大小，同時保持一副普通太陽鏡的外觀。

這種模式背后的科學真是讓人著迷！基礎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，一個與右腦有關。Schiffer 已經證明，這兩種自主思想之間可以形成一種人和人之間的關系，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，一個人的左側思想可能“支配”并“壓制“他的右側思想。另外一些人，右側思維可能占主導地位。在精神健康的人群中，兩種思想在互相尊重和合作的基礎上共存。然而，當兩種思想之間存在強烈的不平衡時，可能出現令人不安的癥狀。

根據Schiffer的實驗，那些受情緒創傷影響的人可能會對這種影響產生偏倚，這可能是為了維持正常運作。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膜的一部分，可以優先刺激該半球，引起可能對治療有益的心理狀態變化。這是可能的，因為眼睛連接到大腦，使人的左側視覺主要達到相對的（右）半球，并且人的右側視力主要達到左半球。圖5顯示，物體的圖像由鏡片投射到視網膜上。

每個視網膜分成內側和外側。投射到左眼視網膜外側的圖像點直接進入大腦的左半球，而點投射到左眼視網膜內側的點則直接進入大腦的右半球。同樣，投射到右眼視網膜外側的點則進入大腦的右半球，而投射在右眼視網膜內側的點則進入大腦的左半球。由視神經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：健康

右側：裂腦患者的側視視力

對于側向腦刺激模態，眼鏡需要遮擋視野，使得只有支配左腦或右腦的視網膜部分被場景照亮。這需要至少三個不同的垂直區域，如圖6所示。

圖6：側向腦刺激的遮擋分布。 左圖顯示通過直接神經支配（來自右視網膜的外側面）和對側神經支配（來自左側視網膜的內側面）優先刺激受試者的右腦半球的配置。

眼鏡的正面需要能夠創建一個大約1cm寬的透明窗口，并且它是可編程的，從而可以為每個人進行微調。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，由于視野的遠端周圍的視力是低分辨率，所以側快門可以由簡單的光閥（沒有像素，每側一個）替代，而不會損失治療效果。

掃視視覺刺激

眼動運動脫敏和再處理（EMDR）療法誕生于1987年，當時心理學家Francine Shapiro博士意識到側眼動作似乎可以減少令她痛苦的記憶的負面情緒。她假設眼球運動具有脫敏作用，并在受控的臨床條件下進行測試。

這一概念產生了一種標準程序，常用于治療心理創傷受害者。盡管潛在的機制尚不清楚，但已假設眼睛的左右移動激活了負責REM睡眠的相同神經元網絡。實驗證據表明實際的眼球運動不是必需的，并且可以通過視野的光圖案中的左右運動來引發相同的神經激活。

因此，假設通過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，透明窗口應寬大約1cm，而遮擋區域的不透明度應具有約為透明窗口的20％的可編程范圍，并且高達100％。固化正面體驗的近似掃描頻率約為0．5至1Hz，而創傷性存儲器的再處理是在掃描頻率高達3Hz的治療設置中完成的。最常見的空間模式是簡單的側向，但也使用對角線或8字形掃描，特別是與快速移動相結合。

Interoreceptive意識是我們對自己內心感受的敏感性，我們的身體會收集信息，使我們感到饑餓、飽腹感、瘙癢、內部疼痛、惡心，需要浴室，止癢，體力消耗，從而喚起其它內部狀態。

來自內部感知系統的感覺提醒我們，我們的內部系統正在失去平衡，需要我們采取行動來恢復平衡。 例如，口渴的感覺迫使我們喝水，以恢復身體的電解質濃度，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知過程的方式中，內在感受也很重要，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，我們的內部感知信號本身會導致焦慮，許多生物反饋技術實際上依賴于幫助人們學習如何“閱讀”他們自己的身體。例如，一項運作良好的研究表明，改善患有醫學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，通過與側面體積信號同步地對側板進行調光。實際上，在對受試者進行“訓練”將側面調光視為心跳的代理之后，可以通過計算機人為地調節調光的節奏改變用戶的情緒狀態。

自動太陽鏡

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