隨著科技發(fā)展的日新月異，人機(jī)交互也逐漸地融入了我們的生活。我們無(wú)論是在使用手機(jī)、電腦、還是智能手環(huán)等電子產(chǎn)品時(shí)，都是在進(jìn)行人機(jī)交互。

那你有沒有想過(guò)，在不久的將來(lái)：

手機(jī)支付不再需要掃一掃，只需要輕輕劃動(dòng)衣袖就能安全支付；

也不再用智能手環(huán)監(jiān)測(cè)你的健康，你只需要穿上衣服就能實(shí)時(shí)得到你的身體體征數(shù)據(jù)；

啟動(dòng)汽車不再需要鑰匙，只需要人坐到座位上，汽車就能識(shí)別你的衣服，聽從你的指揮；

…… 這些聽起來(lái)既科幻又天馬行空的想象，如今科學(xué)家們卻讓它們成為了現(xiàn)實(shí)。

近日，加州大學(xué) Peter Tseng 教授團(tuán)隊(duì)就將先進(jìn)的磁超材料集成到柔性紡織品中，創(chuàng)造出了一種能夠在衣物和附近設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)電池通信的系統(tǒng)。

這種紡織品可以讓穿戴者與附近的電子設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交互，比如只需要輕輕觸碰或者劃動(dòng)衣袖就可以安全支付，還可以持續(xù)監(jiān)測(cè)和傳遞人體的生命體征。

（來(lái)源：Nature Electronics）

相關(guān)研究論文以“Textile-integrated metamaterials for near-field multibody area networks”為題，發(fā)表在科學(xué)期刊 Nature Electronics 上。

為可穿戴設(shè)備“加”一個(gè) NFC

1975 年，第一塊計(jì)算器手表問(wèn)世，智能可穿戴設(shè)備開始進(jìn)入我們的生活。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的智能可穿戴設(shè)備出現(xiàn)在我們的生活中，比如智能手環(huán)、智能眼鏡、智能織物等。

這些智能可穿戴設(shè)備可以讓人們更加高效地處理外部信息，以及對(duì)人體活動(dòng)或健康進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

目前，人體的健康監(jiān)測(cè)和活動(dòng)跟蹤技術(shù)主要依賴于可穿戴或可植入傳感器。這些傳感器所創(chuàng)建的多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可以解讀來(lái)自我們身體與物體之間交互的信息。

為了實(shí)時(shí)解析這些生物特征信息，這種網(wǎng)絡(luò)要求節(jié)點(diǎn)之間有安全可靠的通信鏈路，這種鏈路通常被稱為身體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（BANs）。

而創(chuàng)建 BANs 需要在身體周圍連接多個(gè)傳感器，為了不限制人身體的活動(dòng)，這些傳感器大多使用無(wú)線連接。

傳統(tǒng)意義上的 BANs 配置的無(wú)線通信包括自定義射頻傳感器、射頻識(shí)別或藍(lán)牙，然而這些輻射方式通常存在耗電量高和安全性低的問(wèn)題（比如被竊聽）。

而使用近場(chǎng)通信（NFC）可以有效地解決上述問(wèn)題，提高通信的安全性。

那什么是 NFC 技術(shù)呢？

NFC 是一種在大多數(shù)智能手機(jī)中的射頻識(shí)別技術(shù)。比如當(dāng)你用智能手機(jī)或者信用卡靠近讀卡器付款時(shí)，你就利用了近場(chǎng)通信技術(shù)。NFC 既可以用于向設(shè)備供電，可以從設(shè)備收集數(shù)據(jù)。

因此，這項(xiàng)技術(shù)有可能消除可穿戴傳感器對(duì)電池的需求，使設(shè)備重量輕、壽命長(zhǎng)、成本更低。

這種技術(shù)看似“完美”的背后，卻存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是通信范圍過(guò)小，只能實(shí)現(xiàn)幾厘米的短距離通信。將這種技術(shù)用在人身體上，很難建立起對(duì)全身的連接。

為了解決這一問(wèn)題，研究人員此次研發(fā)的紡織品通過(guò)使用信號(hào)能夠以最小損失傳播的軌道擴(kuò)展了 NFC 的范圍。

圖｜基于紡織集成超材料的BANs。（來(lái)源：該論文評(píng)論文章）

信號(hào)傳輸“四通八達(dá)”

研究人員受當(dāng)前低成本乙烯基服裝生產(chǎn)的啟發(fā)，在紡織品上集成了磁電感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

這種方法跳過(guò)了現(xiàn)代可穿戴設(shè)備柔性織物所需的復(fù)雜的縫紉技術(shù)以及昂貴的導(dǎo)線。而且磁超材料使得信號(hào)沿著軌道傳播成為可能：

這些軌道由一個(gè)個(gè)具有人工周期的組成單元控制，每一個(gè)單元由一個(gè)電感器和開槽接地層組成，這些單元通過(guò)將它們固定到織物上而連接在一起，相鄰的電感器重疊在一起，形成了一種叫做磁感應(yīng)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)一個(gè) NFC 閱讀器靠近任何一個(gè)單元時(shí)，它能夠激發(fā)該單元內(nèi)的電壓和電流，進(jìn)而激發(fā)相鄰單元，形成耦合效應(yīng)。

這種耦合效應(yīng)使得沿整個(gè)結(jié)構(gòu)的信號(hào)級(jí)聯(lián)，可以將其描述為傳播波。

圖｜紡織集成磁感應(yīng)通路。a、諧振器制造和紡織集成步驟。b、顯示其堆疊的諧振器放大圖像。c、各種靈活的諧振器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)傳輸和功率分配。d、可穿戴的模塊化網(wǎng)絡(luò)集成到服裝中，并由透明的熱傳導(dǎo)乙烯基覆蓋，作為機(jī)械夾具。e、 諧振器可以設(shè)計(jì)為覆蓋更寬的近場(chǎng)區(qū)域，并且可以嵌入特殊顏色的乙烯基設(shè)計(jì)。這允許網(wǎng)絡(luò)自定義功能和樣式。f、無(wú)電池NFC轉(zhuǎn)發(fā)器與應(yīng)變和溫度傳感器集成，將各自的傳感器狀態(tài)傳輸?shù)絅FC閱讀器。（來(lái)源：該論文）

研究人員利用這一效應(yīng)創(chuàng)造出橫穿身體、分裂成多個(gè)分支、跨越不同衣物之間縫隙的軌跡。他們把這項(xiàng)技術(shù)比喻為“鐵路”，當(dāng)它在一件衣服上交叉時(shí)，可以傳輸電力和信號(hào)。該系統(tǒng)不僅可以很容易地添加新的部分，還可以將不同的衣服搭配起來(lái)彼此“交談”。

他們特別指出，穿在褲兜里的 NFC 閱讀器可以為放置在胸部、腹部、膝蓋和腳踝上的現(xiàn)成傳感器供電。

Peter Tseng 教授表明：“這意味著你可以把手機(jī)放在口袋里，只需要用身體摩擦其他紡織品或閱讀器，電力和信息就可以在你的設(shè)備上傳輸。”

這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有高度的靈活性，在運(yùn)動(dòng)中，褲子可以測(cè)量腿的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與跟蹤心率和其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的上衣進(jìn)行交流。兩個(gè)穿著這種衣服的人可以通過(guò)手腕相互敲擊來(lái)交換字母“high-five”。

論文第一作者 Amirhossein Hajiaghajani 博士表示，這種技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是數(shù)不勝數(shù)的，比如讓醫(yī)院工作人員從應(yīng)用大量病人傳感器的任務(wù)中解放出來(lái)，因?yàn)檫@些傳感器都可以集成到裝有超材料的醫(yī)護(hù)服中。

Peter Tseng 教授表示，“當(dāng)你把衣服懸浮在無(wú)線閱讀器上時(shí)，電子設(shè)備就會(huì)發(fā)出信號(hào)，所以你可以通過(guò)簡(jiǎn)單的擊掌或握手來(lái)分享信息?！?/p>

圖｜采用紡織集成波導(dǎo)進(jìn)行多轉(zhuǎn)發(fā)器和多波段通信。a、褲子/襯衫終端上方和下方的襯衫和褲子。NFC閱讀器從多個(gè)傳感器接收信息，并連接到外部電池。b、通過(guò)BANs內(nèi)基于時(shí)分的多傳感器讀數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人類活動(dòng)的實(shí)時(shí)、短期、低速監(jiān)測(cè)。c、高速、長(zhǎng)期室內(nèi)步行/跑步活動(dòng)測(cè)量。d、在不同速度剖面下室內(nèi)運(yùn)行期間監(jiān)測(cè)傳感器。e、室內(nèi)運(yùn)行期間的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)包丟失監(jiān)測(cè)。f、通過(guò)NFC的即插即用特性及其在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將手拉近和拉遠(yuǎn)時(shí)測(cè)量的傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)身體對(duì)身體的通信，以獲得各種VD值。（來(lái)源：該論文）

研究人員表示，他們研制的這種紡織品所用成本低，制作簡(jiǎn)單， 可以與有趣的可穿戴設(shè)計(jì)相結(jié)合。不僅如此，他們希望這種設(shè)計(jì)可以減輕現(xiàn)代電子產(chǎn)品給我們生活帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。

美中不足

這種技術(shù)的發(fā)明讓人耳目一新，但仍存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究。

我們?nèi)粘４┲囊挛锊⒉皇且淮涡缘?，因此，這種織物的耐久性值得考量。研究人員表示，這種紡織品可以經(jīng)受一個(gè)洗滌周期，但要經(jīng)受日常磨損，可能需要更加堅(jiān)固的導(dǎo)電材料。

其次，織物與更多的閱讀器或者傳感器的交互仍是一個(gè)發(fā)展方向。智能手機(jī)和皮膚安裝傳感器能否替代電路板原型實(shí)現(xiàn)類似的性能仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。

科技使得我們的生活更加智能化，未來(lái)我們將不再滿足于機(jī)器與機(jī)器之間的連接，人與人之間的交談，更多的是人與機(jī)器之間的交互。

通過(guò)人機(jī)交互，我們或許可以像《阿凡達(dá)》中的阿凡達(dá)人一樣無(wú)聲交流；也可能不必再使用手機(jī)屏幕，僅僅通過(guò)手勢(shì)就能操作設(shè)備；科技的發(fā)展必將為我們帶來(lái)更多便利。

參考資料：

[1]Textile-integrated metamaterials for near-field multibody area networks

[2]A DIY approach to wearable sensor networks

[3]Innovative fabric enables digital communication between wearers, nearby devices

來(lái)源：學(xué)術(shù)頭條