“智能”紡織品的連接性新突破: 傳輸速率提高1000倍

文/魏俊林

在過去10年中，電子學(xué)的一個主要趨勢就是提高傳感器、顯示器和智能設(shè)備的發(fā)展水平，使其無縫集成到人身上。大多數(shù)這些可穿戴設(shè)備單獨鏈接到用戶的智能手機，并通過藍(lán)牙或Wi-Fi信號傳輸所有數(shù)據(jù)。但隨著消費者可穿戴設(shè)備越來越多，并且隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑黾?，更多的?chuàng)新連接方法應(yīng)運而生。

新加坡國立大學(xué)(NUS)的研究人員近期發(fā)明了一種全新的可穿戴設(shè)備互連方式。他們把導(dǎo)電紡織品裝在衣服上便形成動力，同時連接多個可穿戴設(shè)備。這種“身體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”允許設(shè)備以比傳統(tǒng)技術(shù)強1000倍的信號傳輸數(shù)據(jù)，這意味著電池和相關(guān)的所有設(shè)備壽命都可有極大的延長。

這一技術(shù)突破花了10人團隊一年的時間才實現(xiàn)，他們的成就刊登在2019年6月17日的《自然電子》雜志上。他們確信，這些可穿戴設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)在健康監(jiān)測、醫(yī)療干預(yù)和人機接口方面有著潛在的未來應(yīng)用。

更好的數(shù)據(jù)傳輸，更有效的保護隱私

目前，幾乎所有的身體傳感器，如智能手表，都通過藍(lán)牙和Wi-Fi等無線電波連接到智能手機和其他可穿戴電子產(chǎn)品上。其電波向四面八方發(fā)射，大部分發(fā)射能都流失掉了。這種連接方式大大降低了可穿戴設(shè)備的效率，因為大部分電池壽命都在使用中消耗結(jié)束。因此，該校健康創(chuàng)新與技術(shù)研究所(NUS IHealthtech)和NUS工程系的助理教授約翰·霍(John Ho)和他的團隊打算限制這些信號模式，讓傳感器靠近身體，提高效率。他們的解決方案是用被稱為超級材料的導(dǎo)電紡織品來增強常規(guī)服裝的功能。這些超級紡織材料沒有將電波發(fā)射到周圍的空間，而是能夠產(chǎn)生“表面波”。它可在衣服上無線環(huán)繞身體傳輸。這意味著信號在設(shè)備間的能量保持在離身體很近的地方，而不是四面八方的發(fā)射。因此佩帶的電子設(shè)備使用功率減少了很多，而且這些設(shè)備可檢測到更弱的信號。

這項創(chuàng)新允許在功率降低1000倍的設(shè)備間完美地進行數(shù)據(jù)傳輸，或者說，這些用超級材料做成的紡織品可提高接收信號的能力。傳輸速率為1000倍，這將提供相同功率的更高的數(shù)據(jù)速率。實際上，設(shè)備間的信號如此強烈，以至于可以作為無線電傳輸。美國麻省理工學(xué)院從電源、智能手機到設(shè)備的創(chuàng)新已為無電池可穿戴設(shè)備打開了大門，為研發(fā)新型設(shè)備創(chuàng)造了條件。

至關(guān)重要的是，這種信號的增強不需要對智能手機或藍(lán)牙設(shè)備進行任何更改，這類超級材料可在設(shè)計的頻帶內(nèi)與任何現(xiàn)有的無線設(shè)備一起工作。

這種新穎的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也提供了比傳統(tǒng)方法更多的隱私保護能力。目前，幾米以外的人佩帶著這個裝置，無線電波即可向外傳送信號。這種情況下，個人和敏感的信息可能受到潛在竊聽或受攻擊。但若將無線通信信號限制在離身體10厘米以內(nèi)，那么這個創(chuàng)新的傳感網(wǎng)絡(luò)方式的安全性就大大提高，而同時傳感性也大大提高。

智能化設(shè)計與潛能的利用

該團隊在這種超級材料紡織品設(shè)計上擁有一項為期一年的臨時專利，該專利由一條梳子狀的超級材料條型結(jié)構(gòu)組成，上面有一層不帶圖案的導(dǎo)體層。這些條紋可設(shè)置在衣服內(nèi)任何必要的模塊內(nèi)，以鏈接全身。這種超級材料本身具有效益，且成本只需要幾美元，其范圍即可擴大。

何教授認(rèn)為，從一種既平滑又支持表面波的特殊超級材料看，必須重新設(shè)計其結(jié)構(gòu)，以便它能在藍(lán)牙和Wi-Fi的條件下工作。即使在接近人體的情況下也能很好地運行，而且可以通過切割導(dǎo)電紡織品來大量生產(chǎn)。

該團隊借助計算機模型創(chuàng)建專用設(shè)計模式，以確保無線電頻率范圍內(nèi)的連續(xù)通信，并優(yōu)化總體效能。既然這樣，智能衣服即可借此大行其道。通過激光切割導(dǎo)電的超級材料并使用織物粘合劑附著條碼來制造。

一旦做好了，這種“智能”衣服就會非常結(jié)實。它們可折疊和彎曲，對信號強度的損失最小，導(dǎo)電條甚至可被切割或撕裂，而不需要電阻式切割。這些智能服裝也可像普通的衣服一樣洗、曬、熨燙。

無限寬廣的應(yīng)用前景

這個10人團隊正與潛在的合作伙伴商談這項技術(shù)的商業(yè)化，并希望在不久的將來，把這種“智能”紡織品作為專門的運動服進行測試，并用于醫(yī)院，監(jiān)測病人的表現(xiàn)和健康。這一技術(shù)的潛在應(yīng)用范圍非常廣泛，從測量病人的生命體征而不限制他們的行動自由，到調(diào)整病人的生命體征，均能有效地產(chǎn)生作用，甚至運動員用單手也能調(diào)節(jié)移動的無線電耳機。