在過去的十年中，電子學(xué)的主要趨勢(shì)是無(wú)縫集成到人體中的傳感器，顯示器和智能設(shè)備的發(fā)展。這些可穿戴設(shè)備中的大多數(shù)都單獨(dú)連接到用戶的智能手機(jī)，并通過藍(lán)牙或Wi-Fi信號(hào)傳輸所有數(shù)據(jù)。但是，隨著消費(fèi)者佩戴越來(lái)越多的可穿戴設(shè)備，并且隨著他們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越來(lái)越復(fù)雜，人們正在尋求更多創(chuàng)新的連接方法。

現(xiàn)在，新加坡國(guó)立大學(xué)(NUS)的研究人員發(fā)明了一種可穿戴設(shè)備互連的全新方法。他們將導(dǎo)電紡織品整合到衣服中，以動(dòng)態(tài)地動(dòng)態(tài)連接多個(gè)可穿戴設(shè)備。這種“無(wú)線人體傳感器網(wǎng)絡(luò)”使設(shè)備能夠以比傳統(tǒng)技術(shù)強(qiáng)1000倍的信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，這意味著所有設(shè)備的電池壽命都得到了顯著改善。這些可穿戴設(shè)備在人體上的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在健康監(jiān)測(cè)，醫(yī)療干預(yù)和人機(jī)界面方面有未來(lái)的應(yīng)用。

這項(xiàng)技術(shù)突破需要10名成員的團(tuán)隊(duì)一年才能實(shí)現(xiàn)，并于2019年6月17日作為《自然電子》的封面發(fā)表。

更好的數(shù)據(jù)傳輸，更大的隱私

當(dāng)前，幾乎所有的人體傳感器(如智能手表)都通過藍(lán)牙和Wi-Fi等無(wú)線電波連接到智能手機(jī)和其他可穿戴電子設(shè)備。這些波向各個(gè)方向向外輻射，這意味著大部分能量都流失到周圍區(qū)域。這種連接方法極大地降低了可穿戴技術(shù)的效率，因?yàn)樵趪L試連接時(shí)會(huì)消耗其大部分電池壽命。

因此，來(lái)自健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所(NUS iHealthtech)和NUS工程學(xué)院的助理教授John Ho及其團(tuán)隊(duì)希望將傳感器之間的信號(hào)限制在更靠近人體的位置，以提高效率。

他們的解決方案是使用稱為超材料的導(dǎo)電紡織品增強(qiáng)常規(guī)服裝的質(zhì)量。這些超材料不是向周圍的空間發(fā)送波浪，而是能夠產(chǎn)生“表面波浪”，這些表面波浪可以無(wú)線地在衣服上的身體周圍滑動(dòng)。這意味著設(shè)備之間的信號(hào)能量保持在靠近人體的位置，而不是在所有方向上傳播。因此，可穿戴電子設(shè)備消耗的功率比正常情況少得多，并且設(shè)備可以檢測(cè)到弱得多的信號(hào)。

“這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)可以在設(shè)備之間以降低1000倍的功率水平完美傳輸數(shù)據(jù)。或者，這些超材料織物可以將接收到的信號(hào)增強(qiáng)1000倍，從而可以在相同功率下顯著提高數(shù)據(jù)傳輸率，”何教授說(shuō)。實(shí)際上，設(shè)備之間的信號(hào)是如此強(qiáng)大，以至于可以將電力從智能手機(jī)無(wú)線傳輸?shù)皆O(shè)備本身，從而為無(wú)電池可穿戴設(shè)備打開了大門。

至關(guān)重要的是，這種信號(hào)增強(qiáng)功能不需要對(duì)智能手機(jī)或藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行任何更改-超材料可與設(shè)計(jì)頻段中的任何現(xiàn)有無(wú)線設(shè)備一起使用。

與常規(guī)方法相比，本發(fā)明的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的方式還提供了更多的保密性。當(dāng)前，無(wú)線電波從佩戴設(shè)備的人向外幾米處發(fā)射信號(hào)，這意味著個(gè)人和敏感信息可能容易受到潛在的竊聽者的攻擊。通過將無(wú)線通信信號(hào)限制在距人體10厘米以內(nèi)，何教授和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)更加安全的網(wǎng)絡(luò)。

智能設(shè)計(jì)，增強(qiáng)功能

該團(tuán)隊(duì)擁有超常材料紡織品設(shè)計(jì)的第一年臨時(shí)專利，該專利由衣服頂部的梳形超材料帶和下面的無(wú)圖案導(dǎo)體層組成。然后可以將這些條帶以連接身體所有區(qū)域所需的任何樣式布置在衣服上。超材料本身具有成本效益，在每米幾美元的范圍內(nèi)，可以很容易地成卷購(gòu)買。

“我們首先使用一種既扁平又可以支撐表面波的特異材料。我們不得不重新設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)，以使其能夠在藍(lán)牙和Wi-Fi所使用的頻率下工作，即使在靠近人體的情況下也能保持良好的性能，并且可以通過切割導(dǎo)電織物來(lái)批量生產(chǎn)。”何教授解釋說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)的特殊設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)模型的幫助下完成的，以確保在射頻范圍內(nèi)成功進(jìn)行通信并優(yōu)化整體功效。然后，通過激光切割導(dǎo)電超材料并用織物粘合劑將條帶附著來(lái)制造智能服裝。

一旦制成，“智能”衣服就非常堅(jiān)固。它們可以折疊和彎曲，而對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的損失最小，并且甚至可以在不影響無(wú)線功能的情況下切割或撕裂導(dǎo)電帶。衣服也可以像普通衣服一樣被洗滌，干燥和熨燙。

下一步

該團(tuán)隊(duì)正在與潛在的合作伙伴進(jìn)行交流，以使這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，并且在不久的將來(lái)，何教授希望能夠測(cè)試“智能”紡織品作為專業(yè)運(yùn)動(dòng)服裝，并讓醫(yī)院患者監(jiān)測(cè)其性能和健康狀況。潛在的應(yīng)用范圍很廣-從測(cè)量患者的生命體征而不抑制其活動(dòng)自由，到單手運(yùn)動(dòng)即可調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)員無(wú)線耳機(jī)的音量。