“人体通信”——可穿戴设备让大脑成为通信媒介

江苏激光联盟导读：

现代便携式设备始终在追求更小、更无线的路上不断探索。试问谁会拒绝那些越小、越轻、但功能依旧的设备呢？可穿戴技术很可能成为下一代电子产品的一大”热点“。然而，为了让可穿戴设备真正超越便携式设备，我们需要重新思考设备之间“无线体域网”(wireless bodyarea networks-WBANs)进行通信的方式。通常的方法是使用天线将信号发射到周围区域，同时到达接收器，这对于可穿戴设备来说是行不通的。这种传输方式不仅需要大量能量，而且也不安全。此外，人体本身也构成了很大的障碍，因为它会吸收电磁辐射并阻挡信号。那么针对可穿戴技术，有什么独特方案呢？未来的可穿戴设备又会走向何处呢？

为了展示人体通信的潜力，日本科学家最近探索了它在双耳助听器或以头脑为电子信号传输介质的耳机中的应用。来自:东京理科大学的Dairoku Muramatsu博士

可穿戴设备发展的一个重要技术就是“人体通信”(humanbody communication-HBC)，即使用身体本身作为传输信号的媒介。由于一些电场可以在体内非常有效地传播，也不会泄漏到周围区域。通过将皮肤佩戴设备与电极连接，我们可以使它们使用比蓝牙等传统无线协议更低的频率相互通信。然而，尽管对HBC的研究始于二十多年前，这项技术至今还没有大规模应用。

为了充分挖掘HBC的潜能，日本的研究人员（包括来自东京理科大学的Dairoku Muramatsu博士和来自东京大学的KenSasaki教授）专注于探索它的新用途——双耳助听器。这种助听器设备一般是每只耳朵放一个，可以通过相互通信以适应声场，大大提高了佩戴者的理解和对声音的定位。因为这些助听器与皮肤直接接触，所以它们是HBC的“不二之选”。在最近《Electronics》期刊发表的一项研究中，研究人员多次模拟研究了一只耳朵的电极发出的电场在人体头脑的分布，其到达另一只耳朵的接收电极的方式，以及它是否可以在数字通信系统中得到充分利用。事实上，研究人员此前已经用真人受试者对HBC进行了一项实验研究，其结果也发表在此期刊上。

使用复杂程度各不相同的人体模型，研究人员首先确定了确保模拟结果准确的最合适对象。一旦解决了这个问题，他们就开始研究各种系统参数和特性的影响。正如Muramatsu博士所说，“我们计算了收发器电极的输入阻抗特性、收发器之间的传输特性以及头脑内部和周围的电场分布。通过这种方式，我们阐明了所提出的HBC系统的传输机制。”最后，有了这些结果，他们从试的电极中确定了最佳的电极结构。他们还计算了他们的系统造成的电磁辐射水平，发现根据现代安全标准，这对人类来说是完全安全的。

总的来说，这项研究展示了HBC的潜力，并扩展了这项技术的适用性。毕竟，助听器仅是现代头戴式无线设备中的一种。HBC技术前景广阔，比如可以在无线耳机中应用，使它们能够以更少的功率相互通信。此外，由于HBC使用的无线电波在体外衰减很快，不同人身上的HBC设备可以在同一空间以相似的频率工作，而不会造成噪音或干扰。“我们在实现可靠、低功耗的通信系统方面取得了巨大进步，这些系统不仅仅限于助听器，还适用于其他头戴式可穿戴设备。不仅如此，耳环和穿孔等配饰也可以用来创造新的交流系统，”Muramatsu博士总结道。

让我们拭目以待可穿戴技术的发展，拥抱更个性、更便利的可穿戴技术！

来源：Dairoku Muramatsu et al, Transmission Analysis in Human Body Communication for Head-Mounted Wearable Devices, Electronics (2021). DOI: 10.3390/electronics10101213