“智能”纺织品的连接性新突破: 传输速率提高1000倍

文/魏俊林

在过去10年中，电子学的一个主要趋势就是提高传感器、显示器和智能设备的发展水平，使其无缝集成到人身上。大多数这些可穿戴设备单独链接到用户的智能手机，并通过蓝牙或Wi-Fi信号传输所有数据。但随着消费者可穿戴设备越来越多，并且随着数据传输的增加，更多的创新连接方法应运而生。

新加坡国立大学(NUS)的研究人员近期发明了一种全新的可穿戴设备互连方式。他们把导电纺织品装在衣服上便形成动力，同时连接多个可穿戴设备。这种“身体无线传感器网络”允许设备以比传统技术强1000倍的信号传输数据，这意味着电池和相关的所有设备寿命都可有极大的延长。

这一技术突破花了10人团队一年的时间才实现，他们的成就刊登在2019年6月17日的《自然电子》杂志上。他们确信，这些可穿戴设备的无线网络在健康监测、医疗干预和人机接口方面有着潜在的未来应用。

更好的数据传输，更有效的保护隐私

目前，几乎所有的身体传感器，如智能手表，都通过蓝牙和Wi-Fi等无线电波连接到智能手机和其他可穿戴电子产品上。其电波向四面八方发射，大部分发射能都流失掉了。这种连接方式大大降低了可穿戴设备的效率，因为大部分电池寿命都在使用中消耗结束。因此，该校健康创新与技术研究所(NUS IHealthtech)和NUS工程系的助理教授约翰·霍(John Ho)和他的团队打算限制这些信号模式，让传感器靠近身体，提高效率。他们的解决方案是用被称为超级材料的导电纺织品来增强常规服装的功能。这些超级纺织材料没有将电波发射到周围的空间，而是能够产生“表面波”。它可在衣服上无线环绕身体传输。这意味着信号在设备间的能量保持在离身体很近的地方，而不是四面八方的发射。因此佩带的电子设备使用功率减少了很多，而且这些设备可检测到更弱的信号。

这项创新允许在功率降低1000倍的设备间完美地进行数据传输，或者说，这些用超级材料做成的纺织品可提高接收信号的能力。传输速率为1000倍，这将提供相同功率的更高的数据速率。实际上，设备间的信号如此强烈，以至于可以作为无线电传输。美国麻省理工学院从电源、智能手机到设备的创新已为无电池可穿戴设备打开了大门，为研发新型设备创造了条件。

至关重要的是，这种信号的增强不需要对智能手机或蓝牙设备进行任何更改，这类超级材料可在设计的频带内与任何现有的无线设备一起工作。

这种新颖的网络设备也提供了比传统方法更多的隐私保护能力。目前，几米以外的人佩带着这个装置，无线电波即可向外传送信号。这种情况下，个人和敏感的信息可能受到潜在窃听或受攻击。但若将无线通信信号限制在离身体10厘米以内，那么这个创新的传感网络方式的安全性就大大提高，而同时传感性也大大提高。

智能化设计与潜能的利用

该团队在这种超级材料纺织品设计上拥有一项为期一年的临时专利，该专利由一条梳子状的超级材料条型结构组成，上面有一层不带图案的导体层。这些条纹可设置在衣服内任何必要的模块内，以链接全身。这种超级材料本身具有效益，且成本只需要几美元，其范围即可扩大。

何教授认为，从一种既平滑又支持表面波的特殊超级材料看，必须重新设计其结构，以便它能在蓝牙和Wi-Fi的条件下工作。即使在接近人体的情况下也能很好地运行，而且可以通过切割导电纺织品来大量生产。

该团队借助计算机模型创建专用设计模式，以确保无线电频率范围内的连续通信，并优化总体效能。既然这样，智能衣服即可借此大行其道。通过激光切割导电的超级材料并使用织物粘合剂附着条码来制造。

一旦做好了，这种“智能”衣服就会非常结实。它们可折叠和弯曲，对信号强度的损失最小，导电条甚至可被切割或撕裂，而不需要电阻式切割。这些智能服装也可像普通的衣服一样洗、晒、熨烫。

无限宽广的应用前景

这个10人团队正与潜在的合作伙伴商谈这项技术的商业化，并希望在不久的将来，把这种“智能”纺织品作为专门的运动服进行测试，并用于医院，监测病人的表现和健康。这一技术的潜在应用范围非常广泛，从测量病人的生命体征而不限制他们的行动自由，到调整病人的生命体征，均能有效地产生作用，甚至运动员用单手也能调节移动的无线电耳机。