无线身体传感器网络:效率更高、功耗更低、私密性更好!

IntelligentThin 2019-07-16 21:03

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(图片来源: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




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