“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，電子學的一個主要趨勢就是提高傳感器、顯示器和智能設備的發展水平，使其無縫集成到人身上。大多數這些可穿戴設備單獨鏈接到用戶的智能手機，并通過藍牙或Wi-Fi信號傳輸所有數據。但隨著消費者可穿戴設備越來越多，并且隨著數據傳輸的增加，更多的創新連接方法應運而生。

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

這一技術突破花了10人團隊一年的時間才實現，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，這些可穿戴設備的無線網絡在健康監測、醫療干預和人機接口方面有著潛在的未來應用。

更好的數據傳輸，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品上。其電波向四面八方發射，大部分發射能都流失掉了。這種連接方式大大降低了可穿戴設備的效率，因為大部分電池壽命都在使用中消耗結束。因此，該校健康創新與技術研究所(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電紡織品來增強常規服裝的功能。這些超級紡織材料沒有將電波發射到周圍的空間，而是能夠產生“表面波”。它可在衣服上無線環繞身體傳輸。這意味著信號在設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射。因此佩帶的電子設備使用功率減少了很多，而且這些設備可檢測到更弱的信號。

這項創新允許在功率降低1000倍的設備間完美地進行數據傳輸，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據速率。實際上，設備間的信號如此強烈，以至于可以作為無線電傳輸。美國麻省理工學院從電源、智能手機到設備的創新已為無電池可穿戴設備打開了大門，為研發新型設備創造了條件。

至關重要的是，這種信號的增強不需要對智能手機或藍牙設備進行任何更改，這類超級材料可在設計的頻帶內與任何現有的無線設備一起工作。

這種新穎的網絡設備也提供了比傳統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，那么這個創新的傳感網絡方式的安全性就大大提高，而同時傳感性也大大提高。

智能化設計與潛能的利用

該團隊在這種超級材料紡織品設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構組成，上面有一層不帶圖案的導體層。這些條紋可設置在衣服內任何必要的模塊內，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，必須重新設計其結構，以便它能在藍牙和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電紡織品來大量生產。

該團隊借助計算機模型創建專用設計模式，以確保無線電頻率范圍內的連續通信，并優化總體效能。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”衣服就會非常結實。它們可折疊和彎曲，對信號強度的損失最小，導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。

無限寬廣的應用前景

這個10人團隊正與潛在的合作伙伴商談這項技術的商業化，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，并用于醫院，監測病人的表現和健康。這一技術的潛在應用范圍非常廣泛，從測量病人的生命體征而不限制他們的行動自由，到調整病人的生命體征，均能有效地產生作用，甚至運動員用單手也能調節移動的無線電耳機。