令人舒适满足的智能建筑，发展可能超乎你想象
南加州大学建筑、工程学和其他学科专家将我们的被动环境转变为响应性结构，提升生产力和幸福感 。
关于恒温器的争论已屡见不鲜。同事们和夫妇经常因温度的高低而争吵，室内似乎总有人觉得温度过低或过高。
但是，如果我们的室内环境能够自动管理自己，调整到适合所有人的理想设置，那又会怎样？这是南加州大学研究小组的设想，该团队由南加州大学建筑学院建筑科学助理教授Joon-Ho Choi领头。
Choi说道：“区别于调节恒温器，建筑物会持续感受人体所发出的生理信号，如心率、皮肤温度和皮肤湿度等变化，保持让你感觉最舒适的状态。”
对于未来建筑环境设想，自动温度调节只是设想之一——智能建筑利用生物传感器为人类创造最佳环境，满足人类对生活的幸福感并提高生产力。
除了研发温度控制智能设备外，他们还在探索利用瞳孔大小等指示因素进行即时微调的照明设计。同时也会将他们的工作扩展至建筑科学的其他领域，如声学和湿度水平。
Choi说道：“这类人为因素在研究领域中相对冷门。但它们可能极大地影响人体健康、生产力和幸福感。”
智能建筑营造舒适可控环境
Choi带领的人类-建筑一体化实验室中的专家成员以及南加州大学的其他专家将其工作视为建筑设计扩展工作的一部分，而不仅局限于节能和效率。通过新的方法，可持续性已经成为人类对许多新建筑结构的期望。建筑师和工程师们现在被要求强调个人的舒适度和幸福感。
“我们必须要精益求精，”南加州大学电子工程、计算机科学、语言学，心理学、神经科学和儿科学教授Shrikanth Narayanan教授说道，“每个人都会有所变化，需求也会有所不一样。我们工作的全部在于，如何让建筑环境能够满足我们的需求。” Shrikanth Narayanan教授目前正在与Choi进行合作。
Joon-Ho Choi（后）和Xiaoxin Lin在演示用于智能建筑技术研究的瞳孔跟踪装置。（南加州大学摄影/Eric Lindberg）
Narayanan说，除了改善办公室和家庭氛围，智能建筑技术还能让医院和学校等其他场所的人们受益。他甚至设想在车辆和公共交通等其他工程环境中使用这些气候调节工具。
目前，Choi的团队正专注于控制典型办公环境中的温度。其中的一个方法是在工作区域提供加热和制冷装置，为每位员工打造小气候。另一个设计则计算在同一空间中适合所有员工的最佳温度设置。
为帮助确定员工的舒适度，研究团队类似于健身追踪器的智能设备绑在员工手腕上，测量体温、出汗情况和其他指标。同时，他们也在探索利用带红外线滤光器的电脑网络摄像头来检测面部皮肤温度。在研发出能够实时准确测量这些生物信号的统计模型后，研究人员计划在洛杉矶市中心的一家合作企业测试他们的系统。
Choi说道，调查显示，办公室员工通常会吐槽夏天太冷，冬天太热，因而他们成为主要研究对象。
他表示：“这是一个严重问题，不仅浪费能源，还会导致生产率下降。以用户为中心的控件在节能、提高生产力和促进健康方面有很大潜力。”
他们的工作得益于James H. Zumberge 研究与创新基金的早期资助。这一全校性资助计划每年向教学研究人员提供数十万美元的资助，由Zumberge教师研究与创新基金会提供支持。
该计划提供了3万美元种子资金，帮助团队购买了更好的传感器和其他用品。这项投资得到了回报，获得了美国国家科学基金会为期3年的30万美元资助，用于研究智能温控技术。Choi、Narayanan和Maryann Pentz（预防医学教授兼南加州大学健康促进及疾病预防研究所主任）负责监管该研究。
南加州大学的研究人员点亮了智能建筑之路
Choi认为，另一个可从自动化控制中获益的领域是照明设计。在美国国家环境保护局资助的另一项研究中，他的团队希望确定阅读或使用电脑等环境下的最佳照明亮度。
在瓦特大楼（Watt Hall）的一个地下室实验室里，研究人员让研究对象在模拟办公环境下接触不同亮度的光线。研究人员使用被称为瞳孔计的装置测量他们瞳孔大小，研究对象汇报他们在各环境下的工作舒适度。
Xiaoxin Lin自2017年开始与Choi合作，最近取得了南加州大学建筑学院的建筑科学硕士学位，她说道：“人们对环境的反应差异很大。有些人觉得周围的光线很暗的时候最舒服，有些人则感觉相反。”
南加州大学团队在最近一次美国国家环境保护局会议上展示了他们的室内照明控制项目。（摄影/由Joon-Ho Choi友情提供）
她看到了个性化照明控制在多个领域的潜在应用：在学校里，该装置可以确保学生能够更加专注于学习；在医院，为医务人员提供充足照明，同时最大限度保证患者舒适度；甚至在博物馆里，为贵重艺术品提供保护，或在道路沿线，促进交通安全。
在华盛顿特区的一次会议上，她介绍了团队的初步发现，她说道，在与很多人进行交谈时，对方都曾反映过工作当中存在的照明问题。
她说：“他们反映了很多具有共性的问题，不仅是在工作场所，还包括回家的路上。有些人说，他们的孩子想要完全黑暗的环境，但他们更喜欢明亮一些，完全黑暗让他们感觉很不舒服。对于每个人来说，这项技术都很有意义。”
挑战之一在于，在不使用大型设备的前提下，如何保证瞳孔大小等指标测量的准确性。研究人员设想通过电脑上的内置摄像头来测量瞳孔大小并相应地调整亮度。
利用物联网和可穿戴技术
从智能手表到活动追踪器，人们对于可穿戴技术的接受度越来越高。而物联网的爆炸式发展也意味着越来越多的日常物品互联，相互交换数据。无线传感器也越发普及，为开始部署智能建筑技术创造了一个自然环境。
在初期，从更明显的方面着手，如温度舒适度和照明，及其他感官体验，如声音等，会是一个良好开端。
——Shrikanth Narayanan
Narayanan说道：“在初期，从更明显的方面着手，如温度舒适度和照明，及其他感官体验，如声音等，会是一个良好开端。但我们不知道这后续会如何发展。”
他设想，我们周围的环境会感应到我们的情绪状态，从而自动调节。表面颜色可进行改变，缓解怒气或沮丧的情绪，或者在深夜，让加班的我们保持清醒。当我们开始一天的轻松生活时，墙壁可以重新自我配置，营建一个更放松的环境。
Narayanan已在医疗保健领域的另一项研究中取得进展。在南加州大学Keck医学院的支持下，他正在研究医院环境如何影响护士的情绪，并最终影响他们在工作场所的表现和结果。他说，在医疗环境中，看似微小的改变可以改进工作表现，缓解压力并实现更佳的治疗成效。
碰巧的是，Choi在德克萨斯A&M大学攻读硕士学位期间，曾在一家医院的设备部工作，这段经历启发了他，从而开始对智能建筑技术进行深入研究。在修理病房照明系统时，他有机会与病人和家属进行交谈。
他说道：“我发现他们有很多人，躺在重症监护病房里，除了整天盯着日光灯，什么都做不了。灯光和温度调节完全根据护士和医生的喜好，而不是病人。”
全部以用户为中心进行控制
这促使Choi开始考虑，如何研发以用户为中心的环境控制和更智能的建筑，能够对所有居住者作出响应。他认为，在健康相关研究中，建筑师和建筑科学家有很多发挥空间。
建筑设计可以提升积极心态，增强幸福感，并促进创伤恢复。设计人员还可在建筑物中开发各种一体化系统，在病患离开病床，没有连接监视器的情况下持续监测其生命体征。
Choi预计，未来几十年，这项研究将取得重大进展，特别是如果他对很快免费使用能源的预测变成事实。人们不再担心自己开启空调或进行家庭办公室照明所消耗的电量，无需因此牺牲自己的舒适度或满足感。
他说道：“当可再生能源日渐普及的时候，环境的可持性发展可能显得不再那么地举足轻重。人类自身的舒适度将受到越来越多的关注。”
编辑：Eric Lindberg
头图：自动调节建筑物中的温度和照明，让人们生活更舒适，这就是南加州大学建筑专家们正在研发的两项技术。（插图/iStock）