新加坡國立大學(NUS)研究人員為發(fā)明了一種連接可穿戴設備的全新方法。“無線身體傳感器網絡”，使得設備傳輸數據的信號強度變成傳統(tǒng)技術的千倍，也意味著所有設備的電池壽命都會顯著提升。目前團隊正在與潛在的合作伙伴交流，以推進這項技術的商業(yè)化。在不久的未來，何教授希望測試“智能”衣服，作為專業(yè)運動服或者醫(yī)院病患服，來檢測運動表現或者健康狀況。

背景

近十年來，電子技術發(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、顯示器和智能設備。

這些可穿戴設備大多數都會連接到用戶的智能手機，并通過藍牙與Wi-Fi信號傳遞所有的數據?？墒牵斔{牙與Wi-Fi信號在人體周圍傳播時，這些電磁波至少可以在人體周圍10米半徑范圍內被檢測到，這樣就有可能會被黑客竊聽到，從而威脅設備安全。

隨著消費者穿戴的設備數量越來越多、設備間傳遞的數據越來越復雜，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。這項技術通過低頻信號傳輸，將信號限制在人體之內，使鄰近的竊聽者很難截獲關鍵的隱私數據，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，讓我們再來看一項可以讓可穿戴設備實現高效、私密聯網的新技術。近期，新加坡國立大學(NUS)的研究人員為可穿戴設備的相互連接發(fā)明了一種全新方法。

他們將導電織物集成到衣服中，一次可以動態(tài)地連接多個可穿戴設備。這種“無線身體傳感器網絡”，使得設備傳輸數據的信號強度變成傳統(tǒng)技術的千倍，也意味著所有設備的電池壽命都會顯著提升。未來，身體上的這些可穿戴設備組成的無線網絡將應用于健康監(jiān)測、醫(yī)療干預以及人機接口。

這項技術突破耗費了10名團隊成員一年時間才得以完成，最近作為封面發(fā)表在2019年6月17日的《自然電子學(Nature Electronics)》期刊上。

技術

目前，幾乎所有的身體傳感器例如智能手表，都是通過藍牙和Wi-Fi等無線電波，連接到智能手機及其他可穿戴電子設備。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的效率，因為其電池壽命的大部分消耗在嘗試建立連接上。

因此，新加坡國立大學健康創(chuàng)新與技術研究所(NUS iHealthtech)以及工程學院助理教授約翰·何(John Ho)及其團隊想要將信號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，設備間信號的能量保持在靠近身體的地方，而不是擴散到所有方向上。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。

該團隊擁有一個關于超材料設計的第一年臨時專利。這種設計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，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。我們必須重新設計這種結構，使它可以工作在藍牙和Wi-Fi所用的不同頻率下，當靠近人體時也可以表現得很好，也可以通過剪切導電織物的薄片來量產。”

團隊的特殊設計是在計算機模型的輔助下創(chuàng)造出來，以保證無線電頻率范圍內的成功通信，并優(yōu)化總體功效。然后，這種智能衣服通過激光剪切技術制造，并通過織物粘合劑粘貼這些條帶。

價值

何教授表示：“這項創(chuàng)新帶來了設備之間完美的傳輸，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提升千倍，從而在相同的功率下為你帶來明顯更高的數據速率。”

事實上，設備之間的信號如此強大，以至于有可能將來自智能手機的功率無線傳輸至設備本身，為無需電池的可穿戴設備打開了大門。

關鍵在于，這種信號的提升無需智能手機或者藍牙設備作出任何改變，超材料適用于位于定制頻帶上的任何現有無線設備。

這種富有創(chuàng)造性的設備聯網方式，也比傳統(tǒng)方法更私密。目前，無線電波傳輸的信號可以達到穿戴設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。何教授及其團隊通過將無線通信信號限制在身體的10厘米范圍之內，創(chuàng)造了一個更加安全的網絡。

潛在應用的范圍很廣，從不影響病人自由移動的情況下測量他們的生命體征，到通過單手運動來調整運動員無線耳機的音量。

這些“智能”衣服一旦制成，就是高度結實的。它們能以非常最小的信號損耗進行折疊和彎曲。導電條帶甚至可以被剪切和撕裂，且不會影響無線功能。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，賦予運動員服、醫(yī)用服裝和其他服裝這種先進的電磁功能，從而提高我們與周圍世界感知和互動的能力。”