真正的智能穿戴：加州大年夜学造新型织物整洁划衣袖可安然支付还可监测健康

文丨学术头条，作者丨郝景，编审丨寇建超

随着科技发展的日月牙异，人机交互也逐渐地融入了我们的生活。

那你有没有想过，在不久的将来：

手机支付不再须要扫一扫，只须要轻轻划动衣袖就能安全支付；

也不再用智好手环监测你的康健，你只须要穿上衣服就能实时得到你的身体体征数据；

启动汽车不再须要钥匙，只须要人坐到座位上，汽车就能识别你的衣服，屈服你的指挥；

......

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 教授团队就将前辈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着者与附近的电子设备进行数字交互，比如只须要轻轻触碰或者划动衣袖就可以安全支付，还可以持续监测和通报人体的生命体征。

（来源：Nature Electronics）

干系研究论文以“Textile-integrated metamaterials for near-field multibody area networks”为题，揭橥在科学期刊 Nature Electronics 上。

为可穿着设备“加”一个 NFC

1975 年，第一块打算器腕表问世，智能可穿着设备开始进入我们的生活。

随着技能的发展，越来越多的智能可穿着设备涌如今我们的生活中，比如智好手环、智能眼镜、智能织物等。

这些智能可穿着设备可以让人们更加高效地处理外部信息，以及对人体活动或康健进行监测。

目前，人体的康健监测和活动跟踪技能紧张依赖于可穿着或可植入传感器。
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色信息，这种网络哀求节点之间有安全可靠的通信链路，这种链路常日被称为身体区域网络（BANs）。

而创建 BANs 须要在身体周围连接多个传感器，为了不限定人身体的活动，这些传感器大多利用无线连接。

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，然而这些辐射办法常日存在耗电量高和安全性低的问题（比如被窃听）。

而利用近场通信（NFC）可以有效地办理上述问题，提高通信的安全性。

那什么是 NFC 技能呢？

NFC 是一种在大多数智好手机中的射频识别技能。
比如当你用智好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能。

NFC 既可以用于向设备供电，可以从设备网络数据。

因此，这项技能有可能肃清可穿着传感器对电池的需求，使设备重量轻、寿命长、本钱更低。

这种技能看似“完美”的背后，却存在一个致命的缺陷，那便是通信范围过小，只能实现几厘米的短间隔通信。

将这种技能用在人身体上，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）

为理解决这一问题，研究职员这次研发的纺织品通过利用旗子暗记能够以最小丢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）

旗子暗记传输“四通八达”

研究职员受当前低本钱乙烯基服装生产的启示，在纺织品上集成了磁电感应网络。

这种方法跳过了当代可穿着设备柔性织物所需的繁芜的缝纫技能以及昂贵的导线。

而且磁超材料使得旗子暗记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掌握，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，相邻的电感看重叠在一起，形成了一种叫做磁感应波导的构造。

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

这种耦合效应使得沿全体构造的旗子暗记级联，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、各种灵巧的谐振器设计，实现最佳的旗子暗记传输和功率分配。
d、可穿着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，作为机器夹具。
e、 谐振器可以设计为覆盖更宽的近场区域，并且可以嵌入分外颜色的乙烯基设计。
这许可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）

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

他们把这项技能比喻为“铁路”，当它在一件衣服上交叉时，可以传输电力和旗子暗记。

该系统不仅可以很随意马虎地添加新的部分，还可以将不同的衣服搭配起来彼此“交谈”。

他们特殊指出，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，只须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巧性，在运动中，裤子可以丈量腿的运动，同时与跟踪心率和其他统计数据的上衣进行互换。
两个穿着这种衣服的人可以通过手腕相互敲击来交流字母“high-five”。

论文第一作者 Amirhossein Hajiaghajani 博士表示，这种技能在医学上的运用是数不胜数的，比如让医院事情职员从运用大量病人传感器的任务中解放出来，由于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，电子设备就会发出旗子暗记，以是你可以通过大略的击掌或握手来分享信息。
”

图｜采取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吸收信息，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、长期室内步辇儿/跑步活动丈量。
d、在不同速率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永劫光内将手拉近和拉远时丈量的传输来实现身体对身体的通信，以得到各种VD值。
（来源：该论文）

研究职员表示，他们研制的这种纺织品所用本钱低，制作大略， 可以与有趣的可穿着设计相结合。
不仅如此，他们希望这种设计可以减轻当代电子产品给我们生活带来的包袱。

美中不敷

这种技能的发明让人线人一新，但仍存在一些问题须要进一步的研究。

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。
研究职员表示，这种纺织品可以经受一个洗涤周期，但要经受日常磨损，可能须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。
智好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旧是一个悬而未决的问题。

科技使得我们的生活更加智能化，未来我们将不再知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，我们或容许以像《阿凡达》中的阿凡达人一样无声互换；也可能不必再利用手机屏幕，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