日本科學家證實人體通訊技術潛力
2021-12-14
作者
Cabe Atwell，EE Times特約作者
為了證明人體通訊潛力，東京理科大學的科學家們設計了一款雙耳助聽器，可透過相互通訊來適應音場，為佩戴者提升清晰度和聲音定位。
日本東京理科大學(Tokyo University of Science)的科學家們設計了一種雙耳助聽器，可安全地使用頭部組織作為電磁訊號的傳輸介質，從而證明了人體通訊的潛力。
隨著微型化和無線通訊技術的進展，市場上大量湧現從醫療監測器到AR/VR頭戴式裝置等各種可穿戴產品。儘管傳統訊號傳輸方法仰賴無線技術，可穿戴裝置要想真正超越，就需要一種更有效的通訊方法，例如無線人體區域網路(wireless body area networks，WBAN)。不過這種網路有其缺點，包括從網路安全的角度來看不僅不安全，還可能有吸收電磁波輻射以及訊號會被阻擋的問題。
另一個解決方案是人體通訊(human body communications，HBC )，也就是透過人體來傳輸訊號。人體通訊的運作原理是利用在人體內部傳播的電場，然後用配備了電極的皮膚穿戴裝置與其他低頻裝置進行通訊。雖然這項技術已有二十多年的發展歷史，卻沒有被大規模使用。
為了證明人體通訊潛力，東京理科大學的科學家們設計了一款雙耳助聽器，可透過相互通訊來適應音場，為佩戴者提升清晰度和聲音定位。最近的研究顯示，由村松大陸(Dairoku Muramatsu)率領的團隊，透過詳細的數值模擬(numerical simulations)，研究了從一隻耳朵上的電極發射出的電場，如何分佈於人的頭部並到達另一隻耳朵上的接收電極，以及這是否能運用於數位通訊系統。
而研究人員不僅發現他們可以做到，而且過程也是安全的。他們還探索了各種系統參數和特性的影響，從而確定了用於人體通訊的最佳電極結構。
人體通訊利用人體組織作為可穿戴電子裝置的傳輸媒介。
(圖片來源：東京理科大學）
不過上述研究雖展現了透過雙耳助聽器進行人體通訊的可能性，這只是一個開始。《EE Times》針對此技術提出了幾個問題，涵蓋其優勢、潛在應用以及缺點，以下是村松的回答。
問題1：皮膚的成分會影響人體通訊嗎？例如有些人皮膚較厚，有些人很會流汗？
村松：是的，皮膚成分和汗水會影響天線(電極)的特性和人體通訊品質。我們解決這個問題的方法之一，是透過以真人為對象的實驗，研究了人體通訊的重要特性與個體差異。結果顯示，選擇適當的設計參數(如載波頻率)可以抑制個體差異。我們的相關研究結果已經在《Electronics》期刊上發表。
問題2：已知人體通訊裝置可以被單一個體使用，是否也有可能與其他使用相同技術者的人進行通訊？距離會是一個影響因素嗎？
村松：可以，人體通訊能運用於多使用者通訊，也可以用於單一使用者通訊。但人體通訊需要使用者之間的身體接觸，例如握手。如果他們彼此之間有距離，人體通訊就無法發揮作用。更多相關資訊請見美國電腦協會(Association for Computing Machinery)網站。
問題3：環境是否會是影響因素之一？在水下或極熱、極冷地區也可以使用人體通訊裝置嗎？
村松：在水下通訊的案例中，一般無線電通訊是無法使用的，因為電磁波會被含有大量鹽分的海水吸收；因此通常會使用超音波和光來進行水下無線通訊。而由於人體通訊是使用人體而非海水作為傳輸通道，因此即使在水下，人體通訊也有可能進行低損耗的無線通訊。溫度並不會影響人體通訊的機制；然而由於人體通訊裝置是由一般的電子電路組成的，所以要考慮這種電路對運作環境的要求。
東京理科大學的團隊表示，他們利用一個可穿戴天線原型以及22 名人體受試者進行的量測結果顯示，「從電壓駐波比(standing wave ratio)的角度來看，人體通訊對個別使用者的差異具有很強的適應能力。」
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年12月號
責編：Judith Cheng
(參考原文：Researchers Demo Human Body Communications Using Binaural Hearing Aids，By Cabe Atwell)
