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人体可作为通讯媒介?日本科学家说的

2021-12-17 09:58:36 Cabe Atwell 阅读:
为了证明人体通讯潜力,东京理科大学的科学家们设计了一款双耳助听器,可透过相互通讯来适应音场,为佩戴者提升清晰度和声音定位。

日本东京理科大学(Tokyo University of Science)的科学家们设计了一种双耳助听器,可安全地使用头部组织作为电磁讯号的传输介质,从而证明了人体通讯的潜力。fikednc

随着微型化和无线通信技术的进展,市场上大量涌现从医疗监测器到AR/VR头戴式装置等各种可穿戴产品。尽管传统讯号传输方法仰赖无线技术,可穿戴装置要想真正超越,就需要一种更有效的通讯方法,例如无线人体局域网络(wireless body area networks,WBAN)。不过这种网络有其缺点,包括从网络安全的角度来看不仅不安全,还可能有吸收电磁波辐射以及讯号会被阻挡的问题。fikednc

另一个解决方案是人体通讯(human body communications,HBC ),也就是透过人体来传输讯号。人体通讯的运作原理是利用在人体内部传播的电场,然后用配备了电极的皮肤穿戴装置与其他低频装置进行通讯。虽然这项技术已有二十多年的发展历史,却没有被大规模使用。fikednc

为了证明人体通讯潜力,东京理科大学的科学家们设计了一款双耳助听器,可透过相互通讯来适应音场,为佩戴者提升清晰度和声音定位。最近的研究显示,由村松大陆(Dairoku Muramatsu)率领的团队,透过详细的数值模拟(numerical simulations),研究了从一只耳朵上的电极发射出的电场,如何分布于人的头部并到达另一只耳朵上的接收电极,以及这是否能运用于数字通讯系统。fikednc

而研究人员不仅发现他们可以做到,而且过程也是安全的。他们还探索了各种系统参数和特性的影响,从而确定了用于人体通讯的最佳电极结构。fikednc

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人体通讯利用人体组织作为可穿戴电子装置的传输媒介。(图片来源:东京理科大学)fikednc

不过上述研究虽展现了透过双耳助听器进行人体通讯的可能性,这只是一个开始。《EE Times》针对此技术提出了几个问题,涵盖其优势、潜在应用以及缺点,以下是村松的回答。fikednc

问题1:皮肤的成分会影响人体通讯吗?例如有些人皮肤较厚,有些人很会流汗?fikednc

村松:是的,皮肤成分和汗水会影响天线(电极)的特性和人体通讯质量。我们解决这个问题的方法之一,是透过以真人为对象的实验,研究了人体通讯的重要特性与个体差异。结果显示,选择适当的设计参数(如载波频率)可以抑制个体差异。我们的相关研究结果已经在Electronics》期刊上发表。fikednc

问题2:已知人体通讯装置可以被单一个体使用,是否也有可能与其他使用相同技术者的人进行通讯?距离会是一个影响因素吗?fikednc

村松:可以,人体通讯能运用于多用户通讯,也可以用于单一用户通讯。但人体通讯需要用户之间的身体接触,例如握手。如果他们彼此之间有距离,人体通讯就无法发挥作用。更多相关信息请见美国计算机协会(Association for Computing Machinery)网站。fikednc

问题3:环境是否会是影响因素之一?在水下或极热、极冷地区也可以使用人体通讯装置吗?fikednc

村松:在水下通讯的案例中,一般无线电通讯是无法使用的,因为电磁波会被含有大量盐分的海水吸收;因此通常会使用超音波和光来进行水下无线通信。而由于人体通讯是使用人体而非海水作为传输通道,因此即使在水下,人体通讯也有可能进行低损耗的无线通信。温度并不会影响人体通讯的机制;然而由于人体通讯装置是由一般的电子电路组成的,所以要考虑这种电路对运作环境的要求。fikednc

东京理科大学的团队表示,他们利用一个可穿戴天线原型以及22 名人体受试者进行的量测结果显示,「从电压驻波比(standing wave ratio)的角度来看,人体通讯对个别用户的差异具有很强的适应能力。」fikednc

(参考原文:Researchers Demo Human Body Communications Using Binaural Hearing Aids,本文同步刊登于《电子工程专辑》杂志202112月号)fikednc

责编:Demifikednc

Cabe Atwell
机械工程师/EE Times资深博主。Cabe Atwell是一名居住在芝加哥地区的电气工程师。
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