在过去的三十年里，我们通过智能手机和电脑访问的数字世界已经变得如此丰富和详细，以至于我们的许多物理世界在这个数字现实中也有相应的生命。今天，随着机器人、增强现实（AR）和可穿戴数字设备进入我们的物理世界，物理物品在数字世界中获得了它们的数字孪生计算机代表，物理现实和数字现实正在稳步走向融合。

由于区块链等加密技术的存在，这些数字孪生体可以被唯一地识别，并受到保护而不被操纵。这些技术提供的信任是非常强大的，有助于打击假货，提高供应链的透明度，并实现循环经济。然而，一个弱点是，没有一个通用的、普遍适用的实体物品的标识符，像区块链一样值得信赖。这打破了物理和数字双胞胎之间的联系，因此限制了技术解决方案的潜力。

在《Light: Science & Applications》杂志发表的一篇新论文中。科学与应用》上发表的一篇新论文中，由卢森堡大学的Jan Lagerwall教授（物理学）和Holger Voos教授（机器人学）以及美国新泽西理工学院的Mathew Schwartz教授（建筑、建筑环境建设）领导的一个跨学科科学家团队提出了一个解决这个问题的创新方案，即利用胆固醇球面反射器（简称CSR）为实物物品提供独特且不可克隆的指纹。

Lagerwall解释说："CSR的独特之处在于，它们是选择性的反向反射器，可以将光从任何方向送回源头，但只在一个狭窄的波长带内，而且只有一个特定的圆形偏振。狭窄的波长带使我们能够通过在近红外或近紫外区域定位反射，使CSR不被人类发现，机器人和AR设备很容易读取，但人眼却看不见。圆形极化使我们能够从任何复杂的背景中只分离出CSR信号，使任何使用CSR书写的信息以非凡的对比度脱颖而出。"

正是通过在表面涂上以特定模式铺设的CSR，该团队赋予了物理物体以 "指纹"。由于机器人和AR设备可以非常清晰和可靠地读取指纹，如果CSR指纹能编码有关物体的信息，它们的操作就会变得更加可靠，使有关设备对其周围环境有更好的了解。

正如Voos所解释的，CSR在指纹中布局的理想模式是所谓的靶标标记之一。靶标是方形的二进制图案，在外观上与二维码相当相似。黑白像素的特殊排列编码了一个身份；例如，告诉读取该图案的机器这是一扇门、一辆车或一堵墙。通过测量图案有多大，以及它是如何因与原始正方形的观察角度而变形的，机器可以--以极低的计算工作量--确定携带图案的物品有多远，以及它相对于机器的方向。

传统的黑白靶标在机器人和AR研究中很常见，但它们的大尺寸和高对比度的物理外观使得它们无法部署在大多数人类居住的空间。它们还必须在可见光的照射下才能发挥作用。由于这些原因，它们今天被归入研究实验室或限制区域。

通过使使用CSR的标记优化为近红外或近紫外操作，它们在协助机器人和AR设备方面的力量变得无处不在，包括人们工作、玩耍或休息的空间，因为这种CSR标记对人类来说是看不见的，因此不会干扰我们所经历的环境。

同时，CSR反射的圆形偏振对需要检测它们的机器来说，在任何背景下都能突出CSR标记，消除了假阳性和检测困难的问题。

全向反射性是其有用性的关键，Schwartz指出："逆反射器在运动捕捉工作中很常见，无论是跟踪人类还是机器人，因为无论被研究对象如何移动，逆反射器都会将光送回相机，而相机也会发出光信号。但普通的反向反射器会把所有的光送回来，所以它们非常明显；这就是为什么它们也被用于路标和高能见度的衣服。"

"通过使用CSR制作靶标，机器人或AR设备可以从任何角度，在白天或夜间，通过用对人类无害和不可见的近红外或近紫外光照亮场景，追踪其周围携带标记的物体。"Schwartz继续说道。

使用CSR制作的标记的最后一个关键优势是，单个CSR的确切局部排列是不可预测的，而且很难复制，因此每个CSR标记实际上是不可克隆的。此外，在近距离调查CSR标记时，其外观取决于人们如何照亮和观察它，这意味着某个标记在近距离检查时不会给出一个模式，而实际上是一系列无限的动态模式，对每个标记来说都是独特的，但又是明确的。

这就把CSR标记变成了所谓的物理不可克隆函数，或称PUF，它在验证物理对象方面非常强大。

这是CSR标记的最后一个关键优势，Lagerwall说："CSR标记在多种规模上发挥作用。从远处看，它们可重复地、可靠地给出我们选择的图案，特别是识别哪一类物体携带标记图案的靶标图案。但是当机器人或AR设备操纵一个物体时，它可以近距离调查标记，揭示单个CSR的位置，并检查它们如何反射从不同方向或不同区域发出的光，例如通过打开和关闭标准照明环中的单个LED。"

"与远场靶标图案相比，所产生的近场图案对这个特定的物体来说是独一无二的，从而也赋予其身份。这就是CSR标记如何让机器人和AR设备安全地将物理世界与数字孪生体联系起来，因为它们不仅告诉机器他们正在处理什么样的物体，甚至还告诉机器这是哪个具体的物品。而且由于光学器件在可见光谱之外，我们人类不会注意到任何变化"。