無線身體感測器網路：效率更高、功耗更低、私密性更好

導讀

據新加坡國立大學（NUS）官網近日報道，該校研究人員為發明了一種連接可穿戴設備的全新方法。這種「無線身體感測器網路」，使得設備傳輸數據的信號強度變成傳統技術的千倍，也意味著所有設備的電池壽命都會顯著提升。

背景

近十年來，電子技術發展的主要趨勢之一，就是開發可無縫集成到人體上的感測器、顯示器和智能設備。

監測皮膚深處動脈血壓的超聲波貼片（圖片來源：Chonghe Wang/《自然生物醫學工程》）

由OLED製成的可穿戴顯示器（圖片來源：KAIST）

可精準測量人體在太陽光下接受紫外線照射狀況的微型智能設備（圖片來源：美國西北大學）

這些可穿戴設備大多數都會連接到用戶的智能手機，並通過藍牙與Wi-Fi信號傳遞所有的數據。可是，當藍牙與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米半徑範圍內被檢測到，這樣就有可能會被黑客竊聽到，從而威脅設備安全。

黑客（圖片來源：普渡大學）

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複雜，就需要尋找更加創新的連接方法。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。

（圖片來源: 參考資料【1】）

創新

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明了一種全新方法。

左起：博士生Tian Xi、研究員Lee Pui Mun博士、助理教授John Ho（來源：NUS）

他們將導電織物集成到衣服中，一次可以動態地連接多個可穿戴設備。這種「無線身體感測器網路」，使得設備傳輸數據的信號強度變成傳統技術的千倍，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路將應用於健康監測、醫療干預以及人機介面。

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，幾乎所有的身體感測器例如智能手錶，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。

（圖片來源：NUS）

因此，新加坡國立大學健康創新與技術研究所（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感測器上以提升效率。

（圖片來源：NUS）

他們的解決方案是通過超材料導電織物改裝普通的衣服。這些超材料並不是將無線電波發送到周圍空間中，而是能夠創造出「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，並且可以檢測出比平常微弱得多的信號。

（圖片來源：NUS）

該團隊擁有一個關於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，這些條帶位於衣服之上，下面藏有無圖案的導電層。然後，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域。這些超材料本身的成本很划算，在每米幾美元之內，很容易成卷地買到。

（圖片來源：NUS）

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造出來，以保證無線電頻率範圍內的成功通信，並優化總體功效。然後，這種智能衣服通過激光剪切技術製造，並通過織物粘合劑粘貼這些條帶。

（圖片來源：NUS）

這些「智能」衣服一旦製成，就是高度結實的。它們能以非常最小的信號損耗進行摺疊和彎曲。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、烘乾、熨燙。

（圖片來源：NUS）

價值

何教授表示：「這項創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，以至於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。

關鍵在於，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，超材料適用於位於定製頻帶上的任何現有無線設備。

這種富有創造性的設備聯網方式，也比傳統方法更私密。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厘米範圍之內，創造了一個更加安全的網路。

未來

團隊正在與潛在的合作夥伴交流，以推進這項技術的商業化。在不久的未來，何教授希望測試「智能」衣服，作為專業運動服或者醫院病患服，來檢測運動表現或者健康狀況。潛在應用的範圍很廣，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。

何教授表示：「我們憧憬著，賦予運動員服、醫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。」

關鍵字

無線通信、可穿戴技術、超材料

參考資料

【1】Debayan Das, Shovan Maity, Baibhab Chatterjee, Shreyas Sen. Enabling Covert Body Area Network using Electro-Quasistatic Human Body Communication. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-018-38303-x

【2】https://www.nature.com/articles/s41928-019-0257-7#article-infoes

【3】http://news.nus.edu.sg/research/nus-innovation-boosts-wireless-connectivity-1000-times

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