日本科學家證實人體通訊技術潛力

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)

 

 

 

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