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文丨學(xué)術(shù)頭條，丨郝景，編審丨寇建超

隨著科技發(fā)展得日新月異，人機(jī)交互也逐漸地融入了我們得生活。我們無論是在使用手機(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，在不久得將來：

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)測你得健康，你只需要穿上衣服就能實(shí)時(shí)得到你得身體體征數(shù)據(jù)；

啟動(dòng)汽車不再需要鑰匙，只需要人坐到座位上，汽車就能識別你得衣服，聽從你得指揮；

......

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

加州大學(xué) Peter Tseng 教授團(tuán)隊(duì)就將先進(jìn)得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)行無電池通信得系統(tǒng)。

這種紡織品可以讓穿戴者與附近得電子設(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)測和傳遞人體得生命體征。

（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。

1975 年，第壹塊計(jì)算器手表問世，智能可穿戴設(shè)備開始進(jìn)入我們得生活。

隨著技術(shù)得發(fā)展，越來越多得智能可穿戴設(shè)備出現(xiàn)在我們得生活中，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，以及對人體活動(dòng)或健康進(jìn)行監(jiān)測。

目前，人體得健康監(jiān)測和活動(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)建得多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可以解讀來自我們身體與物體之間交互得信息。

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)之間有安全可靠得通信鏈路，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，為了不限制人身體得活動(dòng)，這些傳感器大多使用無線連接。

傳統(tǒng)意義上得 BANs 配置得無線通信包括自定義射頻傳感器、射頻識別或藍(lán)牙，然而這些輻射方式通常存在耗電量高和安全性低得問題（比如被竊聽）。

而使用近場通信（NFC）可以有效地解決上述問題，提高通信得安全性。

那什么是 NFC 技術(shù)呢？

NFC 是一種在大多數(shù)智能手機(jī)中得射頻識別技術(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電池得需求，使設(shè)備重量輕、壽命長、成本更低。

這種技術(shù)看似“完美”得背后，卻存在一個(gè)致命得缺點(diǎn)，那就是通信范圍過小，只能實(shí)現(xiàn)幾厘米得短距離通信。

將這種技術(shù)用在人身體上，很難建立起對全身得連接。（畢竟大家都是腿長一米八，手動(dòng)狗頭）

為了解決這一問題，研究人員此次研發(fā)得紡織品通過使用信號能夠以蕞小損失傳播得軌道擴(kuò)展了 NFC 得范圍。

圖｜基于紡織集成超材料得BANs。（該論文評論文章）

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

這種方法跳過了現(xiàn)代可穿戴設(shè)備柔性織物所需得復(fù)雜得縫紉技術(shù)以及昂貴得導(dǎo)線。

而且磁超材料使得信號沿著軌道傳播成為可能：

這些軌道由一個(gè)個(gè)具有人工周期得組成單元控制，每一個(gè)單元由一個(gè)電感器和開槽接地層組成，這些單元通過將它們固定到織物上而連接在一起，相鄰得電感器重疊在一起，形成了一種叫做磁感應(yīng)波導(dǎo)得結(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)得電壓和電流，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)得信號級聯(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、顯示其堆疊得諧振器放大圖像。c、各種靈活得諧振器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)可靠些得信號傳輸和功率分配。d、可穿戴得模塊化網(wǎng)絡(luò)集成到服裝中，并由透明得熱傳導(dǎo)乙烯基覆蓋，作為機(jī)械夾具。e、 諧振器可以設(shè)計(jì)為覆蓋更寬得近場區(qū)域，并且可以嵌入特殊顏色得乙烯基設(shè)計(jì)。這允許網(wǎng)絡(luò)自定義功能和樣式。f、無電池NFC轉(zhuǎn)發(fā)器與應(yīng)變和溫度傳感器集成，將各自得傳感器狀態(tài)傳輸?shù)絅FC閱讀器。（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得軌跡。

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。

該系統(tǒng)不僅可以很容易地添加新得部分，還可以將不同得衣服搭配起來彼此“交談”。

他們特別指出，穿在褲兜里得 NFC 閱讀器可以為放置在胸部、腹部、膝蓋和腳踝上得現(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得設(shè)備上傳輸?！?/p>

這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有高度得靈活性，在運(yùn)動(dòng)中，褲子可以測量腿得運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與跟蹤心率和其他統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得上衣進(jìn)行交流。兩個(gè)穿著這種衣服得人可以通過手腕相互敲擊來交換字母“high-five”。

論文第壹 Amirhossein Hajiaghajani 博士表示，這種技術(shù)在醫(yī)學(xué)上得應(yīng)用是數(shù)不勝數(shù)得，比如讓醫(yī)院工作人員從應(yīng)用大量病人傳感器得任務(wù)中解放出來，因?yàn)檫@些傳感器都可以集成到裝有超材料得醫(yī)護(hù)服中。

Peter Tseng 教授表示，“當(dāng)你把衣服懸浮在無線閱讀器上時(shí)，電子設(shè)備就會發(fā)出信號，所以你可以通過簡單得擊掌或握手來分享信息。”

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得襯衫和褲子。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BANs內(nèi)基于時(shí)分得多傳感器讀數(shù)實(shí)現(xiàn)對人類活動(dòng)得實(shí)時(shí)、短期、低速監(jiān)測。c、高速、長期室內(nèi)步行/跑步活動(dòng)測量。d、在不同速度剖面下室內(nèi)運(yùn)行期間監(jiān)測傳感器。e、室內(nèi)運(yùn)行期間得長期數(shù)據(jù)包丟失監(jiān)測。f、通過NFC得即插即用特性及其在長時(shí)間內(nèi)將手拉近和拉遠(yuǎn)時(shí)測量得傳輸來實(shí)現(xiàn)身體對身體得通信，以獲得各種VD值。（該論文）

研究人員表示，他們研制得這種紡織品所用成本低，制作簡單， 可以與有趣得可穿戴設(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)品給我們生活帶來得負(fù)擔(dān)。

這種技術(shù)得發(fā)明讓人耳目一新，但仍存在一些問題需要進(jìn)一步得研究。

我們?nèi)粘４┲靡挛锊⒉皇且淮涡缘?，因此，這種織物得耐久性值得考量。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)固得導(dǎo)電材料。

其次，織物與更多得閱讀器或者傳感器得交互仍是一個(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)類似得性能仍然是一個(gè)懸而未決得問題。

科技使得我們得生活更加智能化，未來我們將不再滿足于機(jī)器與機(jī)器之間得連接，人與人之間得交談，更多得是人與機(jī)器之間得交互。

通過人機(jī)交互，我們或許可以像《阿凡達(dá)》中得阿凡達(dá)人一樣無聲交流；也可能不必再使用手機(jī)屏幕，僅僅通過手勢就能操作設(shè)備；科技得發(fā)展必將為我們帶來更多便利。

參考資料：

特別nature/articles/s41928-021-00663-0

特別nature/articles/s41928-021-00674-x

techxplore/news/2021-11-uci-people-high-five.html