在過去的三十年里，我們通過智能手機(jī)和電腦訪問的數(shù)字世界已經(jīng)變得如此豐富和詳細(xì)，以至于我們的許多物理世界在這個(gè)數(shù)字現(xiàn)實(shí)中也有相應(yīng)的生命。今天，隨著機(jī)器人、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和可穿戴數(shù)字設(shè)備進(jìn)入我們的物理世界，物理物品在數(shù)字世界中獲得了它們的數(shù)字孿生計(jì)算機(jī)代表，物理現(xiàn)實(shí)和數(shù)字現(xiàn)實(shí)正在穩(wěn)步走向融合。

由于區(qū)塊鏈等加密技術(shù)的存在，這些數(shù)字孿生體可以被唯一地識(shí)別，并受到保護(hù)而不被操縱。這些技術(shù)提供的信任是非常強(qiáng)大的，有助于打擊假貨，提高供應(yīng)鏈的透明度，并實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。然而，一個(gè)弱點(diǎn)是，沒有一個(gè)通用的、普遍適用的實(shí)體物品的標(biāo)識(shí)符，像區(qū)塊鏈一樣值得信賴。這打破了物理和數(shù)字雙胞胎之間的聯(lián)系，因此限制了技術(shù)解決方案的潛力。

在《Light: Science & Applications》雜志發(fā)表的一篇新論文中。科學(xué)與應(yīng)用》上發(fā)表的一篇新論文中，由盧森堡大學(xué)的Jan Lagerwall教授（物理學(xué)）和Holger Voos教授（機(jī)器人學(xué)）以及美國新澤西理工學(xué)院的Mathew Schwartz教授（建筑、建筑環(huán)境建設(shè)）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)跨學(xué)科科學(xué)家團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)解決這個(gè)問題的創(chuàng)新方案，即利用膽固醇球面反射器（簡稱CSR）為實(shí)物物品提供獨(dú)特且不可克隆的指紋。

Lagerwall解釋說："CSR的獨(dú)特之處在于，它們是選擇性的反向反射器，可以將光從任何方向送回源頭，但只在一個(gè)狹窄的波長帶內(nèi)，而且只有一個(gè)特定的圓形偏振。狹窄的波長帶使我們能夠通過在近紅外或近紫外區(qū)域定位反射，使CSR不被人類發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人和AR設(shè)備很容易讀取，但人眼卻看不見。圓形極化使我們能夠從任何復(fù)雜的背景中只分離出CSR信號(hào)，使任何使用CSR書寫的信息以非凡的對比度脫穎而出。"

正是通過在表面涂上以特定模式鋪設(shè)的CSR，該團(tuán)隊(duì)賦予了物理物體以 "指紋"。由于機(jī)器人和AR設(shè)備可以非常清晰和可靠地讀取指紋，如果CSR指紋能編碼有關(guān)物體的信息，它們的操作就會(huì)變得更加可靠，使有關(guān)設(shè)備對其周圍環(huán)境有更好的了解。

正如Voos所解釋的，CSR在指紋中布局的理想模式是所謂的靶標(biāo)標(biāo)記之一。靶標(biāo)是方形的二進(jìn)制圖案，在外觀上與二維碼相當(dāng)相似。黑白像素的特殊排列編碼了一個(gè)身份；例如，告訴讀取該圖案的機(jī)器這是一扇門、一輛車或一堵墻。通過測量圖案有多大，以及它是如何因與原始正方形的觀察角度而變形的，機(jī)器可以--以極低的計(jì)算工作量--確定攜帶圖案的物品有多遠(yuǎn)，以及它相對于機(jī)器的方向。

傳統(tǒng)的黑白靶標(biāo)在機(jī)器人和AR研究中很常見，但它們的大尺寸和高對比度的物理外觀使得它們無法部署在大多數(shù)人類居住的空間。它們還必須在可見光的照射下才能發(fā)揮作用。由于這些原因，它們今天被歸入研究實(shí)驗(yàn)室或限制區(qū)域。

通過使使用CSR的標(biāo)記優(yōu)化為近紅外或近紫外操作，它們在協(xié)助機(jī)器人和AR設(shè)備方面的力量變得無處不在，包括人們工作、玩?；蛐菹⒌目臻g，因?yàn)檫@種CSR標(biāo)記對人類來說是看不見的，因此不會(huì)干擾我們所經(jīng)歷的環(huán)境。

同時(shí)，CSR反射的圓形偏振對需要檢測它們的機(jī)器來說，在任何背景下都能突出CSR標(biāo)記，消除了假陽性和檢測困難的問題。

全向反射性是其有用性的關(guān)鍵，Schwartz指出："逆反射器在運(yùn)動(dòng)捕捉工作中很常見，無論是跟蹤人類還是機(jī)器人，因?yàn)闊o論被研究對象如何移動(dòng)，逆反射器都會(huì)將光送回相機(jī)，而相機(jī)也會(huì)發(fā)出光信號(hào)。但普通的反向反射器會(huì)把所有的光送回來，所以它們非常明顯；這就是為什么它們也被用于路標(biāo)和高能見度的衣服。"

"通過使用CSR制作靶標(biāo)，機(jī)器人或AR設(shè)備可以從任何角度，在白天或夜間，通過用對人類無害和不可見的近紅外或近紫外光照亮場景，追蹤其周圍攜帶標(biāo)記的物體。"Schwartz繼續(xù)說道。

使用CSR制作的標(biāo)記的最后一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是，單個(gè)CSR的確切局部排列是不可預(yù)測的，而且很難復(fù)制，因此每個(gè)CSR標(biāo)記實(shí)際上是不可克隆的。此外，在近距離調(diào)查CSR標(biāo)記時(shí)，其外觀取決于人們?nèi)绾握樟梁陀^察它，這意味著某個(gè)標(biāo)記在近距離檢查時(shí)不會(huì)給出一個(gè)模式，而實(shí)際上是一系列無限的動(dòng)態(tài)模式，對每個(gè)標(biāo)記來說都是獨(dú)特的，但又是明確的。

這就把CSR標(biāo)記變成了所謂的物理不可克隆函數(shù)，或稱PUF，它在驗(yàn)證物理對象方面非常強(qiáng)大。

這是CSR標(biāo)記的最后一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢，Lagerwall說："CSR標(biāo)記在多種規(guī)模上發(fā)揮作用。從遠(yuǎn)處看，它們可重復(fù)地、可靠地給出我們選擇的圖案，特別是識(shí)別哪一類物體攜帶標(biāo)記圖案的靶標(biāo)圖案。但是當(dāng)機(jī)器人或AR設(shè)備操縱一個(gè)物體時(shí)，它可以近距離調(diào)查標(biāo)記，揭示單個(gè)CSR的位置，并檢查它們?nèi)绾畏瓷鋸牟煌较蚧虿煌瑓^(qū)域發(fā)出的光，例如通過打開和關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)照明環(huán)中的單個(gè)LED。"

"與遠(yuǎn)場靶標(biāo)圖案相比，所產(chǎn)生的近場圖案對這個(gè)特定的物體來說是獨(dú)一無二的，從而也賦予其身份。這就是CSR標(biāo)記如何讓機(jī)器人和AR設(shè)備安全地將物理世界與數(shù)字孿生體聯(lián)系起來，因?yàn)樗鼈儾粌H告訴機(jī)器他們正在處理什么樣的物體，甚至還告訴機(jī)器這是哪個(gè)具體的物品。而且由于光學(xué)器件在可見光譜之外，我們?nèi)祟惒粫?huì)注意到任何變化"。