新加坡国立大学研制出基于超材料的无线身体传感器网络

导读

据新加坡国立大学（NUS）官网近日报道，该校研究人员为发明了一种连接可穿戴设备的全新方法。这种“无线身体传感器网络”，使得设备传输数据的信号强度变成传统技术的千倍，也意味着所有设备的电池寿命都会显著提升。

背景

近十年来，电子技术发展的主要趋势之一，就是开发可无缝集成到人体上的传感器、显示器和智能设备。

监测皮肤深处动脉血压的超声波贴片（图片来源：Chonghe Wang/《自然生物医学工程》）

由OLED制成的可穿戴显示器（图片来源：KAIST）

可精准测量人体在太阳光下接受紫外线照射状况的微型智能设备（图片来源：美国西北大学）

这些可穿戴设备大多数都会连接到用户的智能手机，并通过蓝牙与Wi-Fi信号传递所有的数据。可是，当蓝牙与Wi-Fi信号在人体周围传播时，这些电磁波至少可以在人体周围10米半径范围内被检测到，这样就有可能会被黑客窃听到，从而威胁设备安全。

黑客（图片来源：普渡大学）

随着消费者穿戴的设备数量越来越多、设备间传递的数据越来越复杂，就需要寻找更加创新的连接方法。例如，笔者之前介绍过的“人体通信”技术。这项技术通过低频信号传输，将信号限制在人体之内，使邻近的窃听者很难截获关键的隐私数据，形成一种私密的通信信道，也就是人体。

（图片来源: 参考资料【1】）

创新

今天，让我们再来看一项可以让可穿戴设备实现高效、私密联网的新技术。近期，新加坡国立大学（NUS）的研究人员为可穿戴设备的相互连接发明了一种全新方法。

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

他们将导电织物集成到衣服中，一次可以动态地连接多个可穿戴设备。这种“无线身体传感器网络”，使得设备传输数据的信号强度变成传统技术的千倍，也意味着所有设备的电池寿命都会显著提升。未来，身体上的这些可穿戴设备组成的无线网络将应用于健康监测、医疗干预以及人机接口。

这项技术突破耗费了10名团队成员一年时间才得以完成，最近作为封面发表在2019年6月17日的《自然电子学（Nature Electronics）》期刊上。

技术

目前，几乎所有的身体传感器例如智能手表，都是通过蓝牙和Wi-Fi等无线电波，连接到智能手机及其他可穿戴电子设备。这些电波向着所有方向辐射，意味着大部分的能量损失在周围区域。这样的方法显著降低了可穿戴技术的效率，因为其电池寿命的大部分消耗在尝试建立连接上。

（图片来源：NUS）

因此，新加坡国立大学健康创新与技术研究所（NUS iHealthtech）以及工程学院助理教授约翰·何（John Ho）及其团队想要将信号限制在更接近身体的传感器上以提升效率。

（图片来源：NUS）

他们的解决方案是通过超材料导电织物改装普通的衣服。这些超材料并不是将无线电波发送到周围空间中，而是能够创造出“表面波”。这些表面波可以在身体周围的衣服上无线传播。这意味着，设备间信号的能量保持在靠近身体的地方，而不是扩散到所有方向上。因此，可穿戴电子器件使用了比平常低得多的功率，并且可以检测出比平常微弱得多的信号。

（图片来源：NUS）

该团队拥有一个关于超材料设计的第一年临时专利。这种设计由梳状超材料条带组成，这些条带位于衣服之上，下面藏有无图案的导电层。然后，这些条带在衣服上排列成任何必要的图案，以连接身体的所有区域。这些超材料本身的成本很划算，在每米几美元之内，很容易成卷地买到。

（图片来源：NUS）

何教授解释道：“我们开始用的是一种特殊的超材料，它不仅平滑而且可支持表面波。我们必须重新设计这种结构，使它可以工作在蓝牙和Wi-Fi所用的不同频率下，当靠近人体时也可以表现得很好，也可以通过剪切导电织物的薄片来量产。”

团队的特殊设计是在计算机模型的辅助下创造出来，以保证无线电频率范围内的成功通信，并优化总体功效。然后，这种智能衣服通过激光剪切技术制造，并通过织物粘合剂粘贴这些条带。

（图片来源：NUS）

这些“智能”衣服一旦制成，就是高度结实的。它们能以非常最小的信号损耗进行折叠和弯曲。导电条带甚至可以被剪切和撕裂，且不会影响无线功能。这些衣服可以像正常衣服一样洗涤、烘干、熨烫。

（图片来源：NUS）

价值

何教授表示：“这项创新带来了设备之间完美的传输，功率水平降低到之前的千分之一。换句话说，这些超材料织物可以将接收到的信号提升千倍，从而在相同的功率下为你带来明显更高的数据速率。”

事实上，设备之间的信号如此强大，以至于有可能将来自智能手机的功率无线传输至设备本身，为无需电池的可穿戴设备打开了大门。

关键在于，这种信号的提升无需智能手机或者蓝牙设备作出任何改变，超材料适用于位于定制频带上的任何现有无线设备。

这种富有创造性的设备联网方式，也比传统方法更私密。目前，无线电波传输的信号可以达到穿戴设备之人以外的几米处，意味着私人和敏感的信息潜容易受到潜在窃听者的攻击。何教授及其团队通过将无线通信信号限制在身体的10厘米范围之内，创造了一个更加安全的网络。

未来

团队正在与潜在的合作伙伴交流，以推进这项技术的商业化。在不久的未来，何教授希望测试“智能”衣服，作为专业运动服或者医院病患服，来检测运动表现或者健康状况。潜在应用的范围很广，从不影响病人自由移动的情况下测量他们的生命体征，到通过单手运动来调整运动员无线耳机的音量。

何教授表示：“我们憧憬着，赋予运动员服、医用服装和其他服装这种先进的电磁功能，从而提高我们与周围世界感知和互动的能力。”

关键字

无线通信、可穿戴技术、超材料

参考资料

【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​