随着科技發展的日新月異，人機互動也逐漸地融入了我們的生活。我們無論是在使用手機、電腦、還是智能手環等電子産品時，都是在進行人機互動。
那你有沒有想過，在不久的将來：
手機支付不再需要掃一掃，隻需要輕輕劃動衣袖就能安全支付；
也不再用智能手環監測你的健康，你隻需要穿上衣服就能實時得到你的身體體征資料；
啟動汽車不再需要鑰匙，隻需要人坐到座位上，汽車就能識别你的衣服，聽從你的指揮；
......
這些聽起來既科幻又天馬行空的想象，如今科學家們卻讓它們成為了現實。
近日，加州大學 Peter Tseng 教授團隊就将先進的磁超材料內建到柔性紡織品中，創造出了一種能夠在衣物和附近裝置之間進行無電池通信的系統。
這種紡織品可以讓穿戴者與附近的電子裝置進行數字互動，比如隻需要輕輕觸碰或者劃動衣袖就可以安全支付，還可以持續監測和傳遞人體的生命體征。
來源：Nature Electronics
相關研究論文以“Textile-integrated metamaterials for near-field multibody area networks”為題，發表在科學期刊 Nature Electronics 上。
為可穿戴裝置“加”一個 NFC
1975 年，第一塊電腦手表問世，智能可穿戴裝置開始進入我們的生活。
随着技術的發展，越來越多的智能可穿戴裝置出現在我們的生活中，比如智能手環、智能眼鏡、智能織物等。
這些智能可穿戴裝置可以讓人們更加高效地處理外部資訊，以及對人體活動或健康進行監測。
目前，人體的健康監測和活動跟蹤技術主要依賴于可穿戴或可植入傳感器。這些傳感器所建立的多節點網絡可以解讀來自我們身體與物體之間互動的資訊。
為了實時解析這些生物特征資訊，這種網絡要求節點之間有安全可靠的通信鍊路，這種鍊路通常被稱為身體區域網絡（BANs）。
而建立 BANs 需要在身體周圍連接配接多個傳感器，為了不限制人身體的活動，這些傳感器大多使用無線連接配接。
傳統意義上的 BANs 配置的無線通信包括自定義射頻傳感器、射頻識别或藍牙，然而這些輻射方式通常存在耗電量高和安全性低的問題（比如被竊聽）。
而使用近場通信（NFC）可以有效地解決上述問題，提高通信的安全性。
那什麼是 NFC 技術呢？
NFC 是一種在大多數智能手機中的射頻識别技術。比如當你用智能手機或者信用卡靠近讀卡器付款時，你就利用了近場通信技術。
NFC 既可以用于向裝置供電，可以從裝置收集資料。
是以，這項技術有可能消除可穿戴傳感器對電池的需求，使裝置重量輕、壽命長、成本更低。
這種技術看似“完美”的背後，卻存在一個緻命的缺點，那就是通信範圍過小，隻能實作幾厘米的短距離通信。
将這種技術用在人身體上，很難建立起對全身的連接配接。（畢竟大家都是腿長一米八，手動狗頭）
為了解決這一問題，研究人員此次研發的紡織品通過使用信号能夠以最小損失傳播的軌道擴充了 NFC 的範圍。
圖｜基于紡織內建超材料的BANs。（來源：該論文評論文章）
信号傳輸“四通八達”
研究人員受目前低成本乙烯基服裝生産的啟發，在紡織品上內建了磁電感應網絡。
這種方法跳過了現代可穿戴裝置柔性織物所需的複雜的縫紉技術以及昂貴的導線。
而且磁超材料使得信号沿着軌道傳播成為可能：
這些軌道由一個個具有人工周期的組成單元控制，每一個單元由一個電感器和開槽接地層組成，這些單元通過将它們固定到織物上而連接配接在一起，相鄰的電感器重疊在一起，形成了一種叫做磁感應波導的結構。
當一個 NFC 閱讀器靠近任何一個單元時，它能夠激發該單元内的電壓和電流，進而激發相鄰單元，形成耦合效應。
這種耦合效應使得沿整個結構的信号級聯，可以将其描述為傳播波。
圖｜紡織內建磁感應通路。a、諧振器制造和紡織內建步驟。b、顯示其堆疊的諧振器放大圖像。c、各種靈活的諧振器設計，實作最佳的信号傳輸和功率配置設定。d、可穿戴的子產品化網絡內建到服裝中，并由透明的熱傳導乙烯基覆寫，作為機械夾具。e、 諧振器可以設計為覆寫更寬的近場區域，并且可以嵌入特殊顔色的乙烯基設計。這允許網絡自定義功能和樣式。f、無電池NFC轉發器與應變和溫度傳感器內建，将各自的傳感器狀态傳輸到NFC閱讀器。（來源：該論文）
研究人員利用這一效應創造出橫穿身體、分裂成多個分支、跨越不同衣物之間縫隙的軌迹。
他們把這項技術比喻為“鐵路”，當它在一件衣服上交叉時，可以傳輸電力和信号。
該系統不僅可以很容易地添加新的部分，還可以将不同的衣服搭配起來彼此“交談”。
他們特别指出，穿在褲兜裡的 NFC 閱讀器可以為放置在胸部、腹部、膝蓋和腳踝上的現成傳感器供電。
Peter Tseng 教授表明：“這意味着你可以把手機放在口袋裡，隻需要用身體摩擦其他紡織品或閱讀器，電力和資訊就可以在你的裝置上傳輸。”
這種創新設計具有高度的靈活性，在運動中，褲子可以測量腿的運動，同時與跟蹤心率和其他統計資料的上衣進行交流。兩個穿着這種衣服的人可以通過手腕互相敲擊來交換字母“high-five”。
論文第一作者 Amirhossein Hajiaghajani 博士表示，這種技術在醫學上的應用是數不勝數的，比如讓醫院從業人員從應用大量病人傳感器的任務中解放出來，因為這些傳感器都可以內建到裝有超材料的醫護服中。
Peter Tseng 教授表示，“當你把衣服懸浮在無線閱讀器上時，電子裝置就會發出信号，是以你可以通過簡單的擊掌或握手來分享資訊。”
圖｜采用紡織內建波導進行多轉發器和多波段通信。a、褲子/襯衫終端上方和下方的襯衫和褲子。NFC閱讀器從多個傳感器接收資訊，并連接配接到外部電池。b、通過BANs内基于時分的多傳感器讀數實作對人類活動的實時、短期、低速監測。c、高速、長期室内步行/跑步活動測量。d、在不同速度剖面下室内運作期間監測傳感器。e、室内運作期間的長期資料包丢失監測。f、通過NFC的即插即用特性及其在長時間内将手拉近和拉遠時測量的傳輸來實作身體對身體的通信，以獲得各種VD值。（來源：該論文）
研究人員表示，他們研制的這種紡織品所用成本低，制作簡單， 可以與有趣的可穿戴設計相結合。不僅如此，他們希望這種設計可以減輕現代電子産品給我們生活帶來的負擔。
美中不足
這種技術的發明讓人耳目一新，但仍存在一些問題需要進一步的研究。
我們日常穿着的衣物并不是一次性的，是以，這種織物的耐久性值得考量。研究人員表示，這種紡織品可以經受一個洗滌周期，但要經受日常磨損，可能需要更加堅固的導電材料。
其次，織物與更多的閱讀器或者傳感器的互動仍是一個發展方向。智能手機和皮膚安裝傳感器能否替代電路闆原型實作類似的性能仍然是一個懸而未決的問題。
科技使得我們的生活更加智能化，未來我們将不再滿足于機器與機器之間的連接配接，人與人之間的交談，更多的是人與機器之間的互動。
通過人機互動，我們或許可以像《阿凡達》中的阿凡達人一樣無聲交流；也可能不必再使用手機螢幕，僅僅通過手勢就能操作裝置；科技的發展必将為我們帶來更多便利。
參考文獻
撰文：郝景
編審：寇建超
本文經授權轉載自學術頭條（ID：SciTouTiao），原标題為《真正的智能穿戴！加州大學造新型織物，劃一劃衣袖可安全支付，還可監測健康》，如需二次轉載請聯系原作者。