物联网设备中的MEMS器件是如何被超声波影响的

来自阿里巴巴集团安全部创新威廉希尔官方网站 研究团队的安全威廉希尔官方网站 研究者王康和王正博，发布了他们的创新项目“超声波如何干扰物联网设备（IoT）”，提出只需一段27kHz左右频率的超声波，就能改变这类物联网设备的正常运行。以平衡车和虚拟现实设备为例，若对超声波参数加以细致调节，不仅可操控平衡车的行动轨迹和改变VR、AR设备的动态画面，甚至会给这些设备用户带来人身伤害的风险。

据了解，二人目前主要从事安全前沿研究，长期关注物联网设备和AI等领域安全问题研究，因此，对本次超声波干扰物联网设备这一漏洞的发现也绝非偶然。7月28日，二人在阿拉斯加的全球顶级安全会议黑帽大会上发表演讲，并向相关设备生产厂商提出警示和给予设防建议。

英国萨里大学计算机系教授艾伦·伍德沃德曾表示，改变器件的谐振频率，引起各种损害甚至攻击是很有可能的。而由于设备系统的高度敏感，超声波干扰更可能会成为一个现实的攻击手段。

超声波对虚拟现实设备、平衡车的干扰

通过大量实验测试，王康和王正博发现27kHz左右的共振超声波频率，可对VR设备产生不同的影响。例如，画面抖动、旋转，甚至会出现画面静止并停止工作的情况。这种干扰易导致用户出现眩晕、恶心，甚至是摔倒，极大有损用户体验。

平衡车，资料图

如果超声波对AR和VR的干扰，还只是停留在画面旋转、跳动影响，那么对平衡车的干扰，则可直接带来用户的生命安全风险。二人经实验测试发现，多款市面常见的平衡车都会因超声波干扰而失去平衡。例如，保持在平衡静止状态中的平衡车，会因超声波干扰，而自主向前运动以寻找平衡点，而结果往往却是最终失去平衡。不同平衡车受干扰的程度也不同，有些甚至会直接发生翻倒，而这对使用者来说无疑是关乎生命安全的一件事。

超声波如何影响物联网设备中的MEMS器件

王康和王正博表示，无论是AR、VR，还是iPhone手机、平衡车、无人机甚至无人驾驶汽车、家用汽车等物联网设备，实际上都有被超声波干扰的可能，原因就在于这些物联网设备都有安装MEMS传感器器件。

基于MEMS（微电子机械系统）传感器的虚拟现实系统，其中的加速度传感器和陀螺仪，负责提供数据，并帮助判断用户应在虚拟世界里的倾斜方向和速度。而超声波正是通过干扰MEMS器件中的陀螺仪和加速度传感器两个元件，从而干扰甚至控制设备的运行。

MEMS陀螺仪和加速度传感器，是市场上几乎所有VR头显设备的标配。图为测试超声波发生设备，对VR设备运行的干扰情况。资料图

当陀螺仪（Gyroscope）和重力加速度传感器（Accelerometer）工作时，会分别输出三个参数：GX、GY、GZ和AX、AY、AZ。超声波干扰的正是这六个输入设备系统储存的变量参数，使其受迫振动，也称为强迫振动，指振动系统在周期性的外力作用下，其所发生的振动。一旦超声波达到变量参数的共振点，就会使设备的位置传感信息产生错乱。

比如，当受到超声波干扰时。苹果智能手机的水平仪可能会发生紊乱，导致相关功能受到影响或者失效；无人机一旦受到超声波干扰，则可能发生坠毁；而家用汽车中的安全气囊也，可能因为超声波的干扰突然打开。

这不同于传统意义上的软件程序干扰，而是直接对设备物理器件的干扰。这类漏洞完善修复的成本也会更高，或许只能通过召回产品的方式进行防护修复。

一些建议：填补物理安全漏洞

王康和王正博介绍称，汽车等大型设备的干扰实验目前并没有开展，但从理论原理来看，如果超声波功率足够强，也很有可能实现干扰。二人强调称，物联网设备厂商应加强对超声波干扰问题的重视。他们建议从几个维度对产品进行完善，以防止漏洞被人利用，造成用户损失。

一方面，厂商研发产品时可对设备增加缓冲层，如增加一些覆盖材料，让外界声音进入不了MEMS器件，减少超声波干扰。

增加缓冲层或覆盖材料，或许可以减少超声对平衡车的干扰。资料图

两位研究者测试发现，超声波能通过改变陀螺仪的共振状态，来影响平衡车的平衡方向，但有着较为厚重的金属外壳的平衡车能有效阻止低功率的信号，这种厚重的金属外壳本是为了承载人的重量而做出的设计，却在无意间给攻击者增加了困难。而对外壳单薄的苹果7手机而言，却无法轻易免于干扰。这意味着在物理层面增加隔离材料，可对超声波起到一定的防干扰作用。

另一方面，在设备上加装降噪装置，通过主动发射反向声音，对进行干扰的超声波抵消，实现主动防止干扰。王康和王正博表示，在这一方面，他们也将做出更多积极探索，进行更多的测试实验。

当然，对于MENS传感器厂家来说，超声波干扰到MEMS元件，这件事厂家并不是不知道，因此MEMS厂家会把元件振动频率控制在正常声波之外。不过随着物联网设备越来越普及，他们认为有必要重视这个安全问题。而作为消费者，当我们在享受科技带给我们令人着迷的体验时，也要对其中可能存在的安全隐患，时刻保持高度警惕。