真正的智能穿戴！加州大学造新型织物，划一划衣袖可安全支付，还可监测健康

2021 年 11 月 21 日 学术头条

撰文：郝景
编审：寇建超

随着科技发展的日新月异，人机交互也逐渐地融入了我们的生活。我们无论是在使用手机、电脑、还是智能手环等电子产品时，都是在进行人机交互。

那你有没有想过，在不久的将来：

手机支付不再需要扫一扫，只需要轻轻划动衣袖就能安全支付；
也不再用智能手环监测你的健康，你只需要穿上衣服就能实时得到你的身体体征数据；
启动汽车不再需要钥匙，只需要人坐到座位上，汽车就能识别你的衣服，听从你的指挥；
......

这些听起来既科幻又天马行空的想象，如今科学家们却让它们成为了现实。

近日，加州大学 Peter Tseng 教授团队就将先进的磁超材料集成到柔性纺织品中，创造出了一种能够在衣物和附近设备之间进行无电池通信的系统。

这种纺织品可以让穿戴者与附近的电子设备进行数字交互，比如只需要轻轻触碰或者划动衣袖就可以安全支付，还可以持续监测和传递人体的生命体征。

（来源： Nature Electronics ）

相关研究论文以“Textile-integrated metamaterials for near-field multibody area networks”为题，发表在科学期刊 Nature Electronics 上。

为可穿戴设备“加”一个 NFC

1975 年，第一块计算器手表问世，智能可穿戴设备开始进入我们的生活。

随着技术的发展，越来越多的智能可穿戴设备出现在我们的生活中，比如智能手环、智能眼镜、智能织物等。

这些智能可穿戴设备可以让人们更加高效地处理外部信息，以及对人体活动或健康进行监测。

目前，人体的健康监测和活动跟踪技术主要依赖于可穿戴或可植入传感器。这些传感器所创建的多节点网络可以解读来自我们身体与物体之间交互的信息。

为了实时解析这些生物特征信息，这种网络要求节点之间有安全可靠的通信链路，这种链路通常被称为身体区域网络（BANs）。

而创建 BANs 需要在身体周围连接多个传感器，为了不限制人身体的活动，这些传感器大多使用无线连接。

传统意义上的 BANs 配置的无线通信包括自定义射频传感器、射频识别或蓝牙， 然而这些辐射方式通常存在耗电量高和安全性低的问题（比如被窃听）。

而使用近场通信（NFC）可以有效地解决上述问题，提高通信的安全性。

那什么是 NFC 技术呢？

NFC 是一种在大多数智能手机中的射频识别技术。比如当你用智能手机或者信用卡靠近读卡器付款时，你就利用了近场通信技术。

NFC 既可以用于向设备供电，可以从设备收集数据。

因此，这项技术有可能消除可穿戴传感器对电池的需求，使设备重量轻、寿命长、成本更低。

这种技术看似“完美”的背后，却存在一个致命的缺点， 那就是通信范围过小，只能实现几厘米的短距离通信。

将这种技术用在人身体上，很难建立起对全身的连接。（毕竟大家都是腿长一米八，手动狗头）

为了解决这一问题，研究人员此次研发的纺织品通过使用信号能够以最小损失传播的轨道扩展了 NFC 的范围。

图｜基于纺织集成超材料的BANs。（来源：该论文评论文章）

信号传输“四通八达”

研究人员受当前低成本乙烯基服装生产的启发，在纺织品上集成了磁电感应网络。

这种方法跳过了现代可穿戴设备柔性织物所需的复杂的缝纫技术以及昂贵的导线。

而且磁超材料使得信号沿着轨道传播成为可能：

这些轨道由一个个具有人工周期的组成单元控制，每一个单元由一个电感器和开槽接地层组成，这些单元通过将它们固定到织物上而连接在一起，相邻的电感器重叠在一起，形成了一种叫做磁感应波导的结构。

当一个 NFC 阅读器靠近任何一个单元时，它能够激发该单元内的电压和电流，进而激发相邻单元，形成耦合效应。

这种耦合效应使得沿整个结构的信号级联，可以将其描述为传播波。

图｜纺织集成磁感应通路。a、谐振器制造和纺织集成步骤。b、显示其堆叠的谐振器放大图像。c、各种灵活的谐振器设计，实现最佳的信号传输和功率分配。d、可穿戴的模块化网络集成到服装中，并由透明的热传导乙烯基覆盖，作为机械夹具。e、谐振器可以设计为覆盖更宽的近场区域，并且可以嵌入特殊颜色的乙烯基设计。这允许网络自定义功能和样式。f、无电池NFC转发器与应变和温度传感器集成，将各自的传感器状态传输到NFC阅读器。（来源：该论文）

研究人员利用这一效应创造出横穿身体、分裂成多个分支、跨越不同衣物之间缝隙的轨迹。

他们把这项技术比喻为“铁路”，当它在一件衣服上交叉时，可以传输电力和信号。

该系统不仅可以很容易地添加新的部分，还可以将不同的衣服搭配起来彼此“交谈”。

他们特别指出，穿在裤兜里的 NFC 阅读器可以为放置在胸部、腹部、膝盖和脚踝上的现成传感器供电。

Peter Tseng 教授表明：“这意味着你可以把手机放在口袋里，只需要用身体摩擦其他纺织品或阅读器，电力和信息就可以在你的设备上传输。”

这种创新设计具有高度的灵活性，在运动中，裤子可以测量腿的运动，同时与跟踪心率和其他统计数据的上衣进行交流。两个穿着这种衣服的人可以通过手腕相互敲击来交换字母“high-five”。

论文第一作者 Amirhossein Hajiaghajani 博士表示，这种技术在医学上的应用是数不胜数的，比如让医院工作人员从应用大量病人传感器的任务中解放出来，因为这些传感器都可以集成到装有超材料的医护服中。

Peter Tseng 教授表示，“当你把衣服悬浮在无线阅读器上时，电子设备就会发出信号，所以你可以通过简单的击掌或握手来分享信息。”

图｜采用纺织集成波导进行多转发器和多波段通信。a、裤子/衬衫终端上方和下方的衬衫和裤子。NFC阅读器从多个传感器接收信息，并连接到外部电池。b、通过BANs内基于时分的多传感器读数实现对人类活动的实时、短期、低速监测。c、高速、长期室内步行/跑步活动测量。d、在不同速度剖面下室内运行期间监测传感器。e、室内运行期间的长期数据包丢失监测。f、通过NFC的即插即用特性及其在长时间内将手拉近和拉远时测量的传输来实现身体对身体的通信，以获得各种VD值。（来源：该论文）

研究人员表示，他们研制的这种纺织品所用成本低，制作简单，可以与有趣的可穿戴设计相结合。不仅如此，他们希望这种设计可以减轻现代电子产品给我们生活带来的负担。

美中不足

这种技术的发明让人耳目一新，但仍存在一些问题需要进一步的研究。

我们日常穿着的衣物并不是一次性的，因此，这种织物的耐久性值得考量。研究人员表示，这种纺织品可以经受一个洗涤周期，但要经受日常磨损，可能需要更加坚固的导电材料。

其次，织物与更多的阅读器或者传感器的交互仍是一个发展方向。智能手机和皮肤安装传感器能否替代电路板原型实现类似的性能仍然是一个悬而未决的问题。

科技使得我们的生活更加智能化，未来我们将不再满足于机器与机器之间的连接，人与人之间的交谈，更多的是人与机器之间的交互。

通过人机交互，我们或许可以像《阿凡达》中的阿凡达人一样无声交流；也可能不必再使用手机屏幕，仅仅通过手势就能操作设备；科技的发展必将为我们带来更多便利。

参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00663-0
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00674-x
https://techxplore.com/news/2021-11-uci-people-high-five.html

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