新加坡國立大學(xué)(NUS)研究人員為發(fā)明了一種連接可穿戴設(shè)備的全新方法。“無線身體傳感器網(wǎng)絡(luò)”，使得設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)強(qiáng)度變成傳統(tǒng)技術(shù)的千倍，也意味著所有設(shè)備的電池壽命都會(huì)顯著提升。目前團(tuán)隊(duì)正在與潛在的合作伙伴交流，以推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化。在不久的未來，何教授希望測試“智能”衣服，作為專業(yè)運(yùn)動(dòng)服或者醫(yī)院病患服，來檢測運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)或者健康狀況。

背景

近十年來，電子技術(shù)發(fā)展的主要趨勢之一，就是開發(fā)可無縫集成到人體上的傳感器、顯示器和智能設(shè)備。

這些可穿戴設(shè)備大多數(shù)都會(huì)連接到用戶的智能手機(jī)，并通過藍(lán)牙與Wi-Fi信號(hào)傳遞所有的數(shù)據(jù)?？墒?，當(dāng)藍(lán)牙與Wi-Fi信號(hào)在人體周圍傳播時(shí)，這些電磁波至少可以在人體周圍10米半徑范圍內(nèi)被檢測到，這樣就有可能會(huì)被黑客竊聽到，從而威脅設(shè)備安全。

隨著消費(fèi)者穿戴的設(shè)備數(shù)量越來越多、設(shè)備間傳遞的數(shù)據(jù)越來越復(fù)雜，就需要尋找更加創(chuàng)新的連接方法。例如，筆者之前介紹過的“人體通信”技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)通過低頻信號(hào)傳輸，將信號(hào)限制在人體之內(nèi)，使鄰近的竊聽者很難截獲關(guān)鍵的隱私數(shù)據(jù)，形成一種私密的通信信道，也就是人體。

由OLED制成的可穿戴顯示器(圖片來源：KAIST)

創(chuàng)新

今天，讓我們再來看一項(xiàng)可以讓可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效、私密聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)。近期，新加坡國立大學(xué)(NUS)的研究人員為可穿戴設(shè)備的相互連接發(fā)明了一種全新方法。

他們將導(dǎo)電織物集成到衣服中，一次可以動(dòng)態(tài)地連接多個(gè)可穿戴設(shè)備。這種“無線身體傳感器網(wǎng)絡(luò)”，使得設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的信號(hào)強(qiáng)度變成傳統(tǒng)技術(shù)的千倍，也意味著所有設(shè)備的電池壽命都會(huì)顯著提升。未來，身體上的這些可穿戴設(shè)備組成的無線網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用于健康監(jiān)測、醫(yī)療干預(yù)以及人機(jī)接口。

這項(xiàng)技術(shù)突破耗費(fèi)了10名團(tuán)隊(duì)成員一年時(shí)間才得以完成，最近作為封面發(fā)表在2019年6月17日的《自然電子學(xué)(Nature Electronics)》期刊上。

技術(shù)

目前，幾乎所有的身體傳感器例如智能手表，都是通過藍(lán)牙和Wi-Fi等無線電波，連接到智能手機(jī)及其他可穿戴電子設(shè)備。這些電波向著所有方向輻射，意味著大部分的能量損失在周圍區(qū)域。這樣的方法顯著降低了可穿戴技術(shù)的效率，因?yàn)槠潆姵貕勖拇蟛糠窒脑趪L試建立連接上。

因此，新加坡國立大學(xué)健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所(NUS iHealthtech)以及工程學(xué)院助理教授約翰·何(John Ho)及其團(tuán)隊(duì)想要將信號(hào)限制在更接近身體的傳感器上以提升效率。

他們的解決方案是通過超材料導(dǎo)電織物改裝普通的衣服。這些超材料并不是將無線電波發(fā)送到周圍空間中，而是能夠創(chuàng)造出“表面波”。這些表面波可以在身體周圍的衣服上無線傳播。這意味著，設(shè)備間信號(hào)的能量保持在靠近身體的地方，而不是擴(kuò)散到所有方向上。因此，可穿戴電子器件使用了比平常低得多的功率，并且可以檢測出比平常微弱得多的信號(hào)。

該團(tuán)隊(duì)擁有一個(gè)關(guān)于超材料設(shè)計(jì)的第一年臨時(shí)專利。這種設(shè)計(jì)由梳狀超材料條帶組成，這些條帶位于衣服之上，下面藏有無圖案的導(dǎo)電層。然后，這些條帶在衣服上排列成任何必要的圖案，以連接身體的所有區(qū)域。這些超材料本身的成本很劃算，在每米幾美元之內(nèi)，很容易成卷地買到。

何教授解釋道：“我們開始用的是一種特殊的超材料，它不僅平滑而且可支持表面波。我們必須重新設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)，使它可以工作在藍(lán)牙和Wi-Fi所用的不同頻率下，當(dāng)靠近人體時(shí)也可以表現(xiàn)得很好，也可以通過剪切導(dǎo)電織物的薄片來量產(chǎn)。”

團(tuán)隊(duì)的特殊設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)模型的輔助下創(chuàng)造出來，以保證無線電頻率范圍內(nèi)的成功通信，并優(yōu)化總體功效。然后，這種智能衣服通過激光剪切技術(shù)制造，并通過織物粘合劑粘貼這些條帶。

價(jià)值

何教授表示：“這項(xiàng)創(chuàng)新帶來了設(shè)備之間完美的傳輸，功率水平降低到之前的千分之一。換句話說，這些超材料織物可以將接收到的信號(hào)提升千倍，從而在相同的功率下為你帶來明顯更高的數(shù)據(jù)速率。”

事實(shí)上，設(shè)備之間的信號(hào)如此強(qiáng)大，以至于有可能將來自智能手機(jī)的功率無線傳輸至設(shè)備本身，為無需電池的可穿戴設(shè)備打開了大門。

關(guān)鍵在于，這種信號(hào)的提升無需智能手機(jī)或者藍(lán)牙設(shè)備作出任何改變，超材料適用于位于定制頻帶上的任何現(xiàn)有無線設(shè)備。

這種富有創(chuàng)造性的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式，也比傳統(tǒng)方法更私密。目前，無線電波傳輸?shù)男盘?hào)可以達(dá)到穿戴設(shè)備之人以外的幾米處，意味著私人和敏感的信息潛容易受到潛在竊聽者的攻擊。何教授及其團(tuán)隊(duì)通過將無線通信信號(hào)限制在身體的10厘米范圍之內(nèi)，創(chuàng)造了一個(gè)更加安全的網(wǎng)絡(luò)。

潛在應(yīng)用的范圍很廣，從不影響病人自由移動(dòng)的情況下測量他們的生命體征，到通過單手運(yùn)動(dòng)來調(diào)整運(yùn)動(dòng)員無線耳機(jī)的音量。

這些“智能”衣服一旦制成，就是高度結(jié)實(shí)的。它們能以非常最小的信號(hào)損耗進(jìn)行折疊和彎曲。導(dǎo)電條帶甚至可以被剪切和撕裂，且不會(huì)影響無線功能。這些衣服可以像正常衣服一樣洗滌、烘干、熨燙。何教授表示：“我們憧憬著，賦予運(yùn)動(dòng)員服、醫(yī)用服裝和其他服裝這種先進(jìn)的電磁功能，從而提高我們與周圍世界感知和互動(dòng)的能力。”