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超声波如何影响物联网设备中的MEMS器件

近日,来自阿里巴巴集团安全部创新技术研究团队的安全技术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。

 

王康和王正博展示超声波元件与实验器件。资料图


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。

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