XK星空 通过衣服进行 2D 通信，为与体表传感器的通信提供电源！

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野田明仁

专业领域

微波工程、射频电路、无线通信、无线电力传输

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新型可穿戴设备，可更广泛、更深入地测量身体数据
最近的趋势已经超越了智能手机，智能手表已经变得司空见惯。设备功能包括触摸屏、扬声器、通话麦克风、通知振动器，甚至还有测量心率的功能，用户使用这些设备进行健康管理并不罕见。附着在人体上的计算机被称为“可穿戴设备”，追求新的设备功能是野田明仁副教授的研究主题之一。 “我们可以用智能手表测量心率——通过集中在手腕上单个点的功能——因为我们只有一颗心脏。但是，如果我们想监测全身肌肉的紧张状态，我们需要捕捉身体每个部位肌肉运动时的神经信号。”为了实现这一目标，野田博士正在开发分布式可穿戴系统，该系统具有许多分散在身体表面的灵活、微型、可嵌入衣服的电子设备。他的目标是开发一种设备，通过将该系统作为衣服佩戴，可以在日常生活中收集更详细的生物信息，就像智能​​手表戴在手臂上一样。我们可以期待看到所实现的系统在健康管理和预防医学等各个领域的应用，它还应该促进运动科学以及与头戴式显示器相结合的虚拟现实（VR）行业。

用于供电和通信的2D通信，利用衣服本身作为传输线

智能手表和智能眼镜等集中式可穿戴设备采用无线电波无线通信，并以电池作为电源。然而，对于分布式可穿戴系统，这种配置是不现实的。

博士。野田：“分布式单元并不是像智能手表那样带有触摸屏的大型设备。而是将几十个或几百个豌豆大小的集成电路（IC）芯片作为传感器安装在整个机身上。如果每个豌豆大小的设备都有电池和无线通信电路，可以想象非传感器部分会重得多，系统也会很笨重。”还出现其他问题，例如电池充电/更换，以及由于多个无线通信模块之间的拥挤和干扰而导致的即时性和数据传输可靠性的损失。另一方面，使用从中央处理设备到每个元件的单独有线连接进行数据收集/控制，或从电源到每个元件也存在缺点，例如断开连接的风险以及衣服的灵活性和耐磨性下降。

为了解决这些问题，野田博士的设计通过使用由导电纤维制成的衣服作为二维 (2D) 传输线，在不使用电池或天线的情况下为元件供电并与元件通信。

“这是一种称为2D通信的技术的应用，这是我从研究生院以来一直在研究的课题。通过让衣服本身成为传输线，我们可以在衣服的任何位置连接小型电子电路，例如回针按钮。无需单独布线即可实现供电和通信。电力从单一来源向整个传输线供电，每个元件通过从传输线接收电力而无需电池即可运行。”

数据也通过同一传输线传输，并且用于通信的无线电波不会发射到外部。因此，2D 通信具有普通有线/无线连接方法所没有的功能。

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（带有 LED 的 T 恤，作为通过 2D 通信同时供电和与衣服上的传感器进行通信的技术应用而开发。衣服由导电纤维制成。）

实现高度自由的网络，同时避免柔性材料特有的问题

在柔性材料（例如衣服、织物和薄膜）上形成电子电路的技术领域已经进行了广泛的研发。在传统方法中，在衣服上形成许多单独的信号线。另一方面，野田博士正在研究的 2D 通信将整件衣服用作一条传输线。野田博士强调了之前研究中的一个问题，“如果我们用普通硬电路板相同的方式制作电路，只是用软材料代替电路板，就会出现新的问题。由于材料是织物，可能会因织物折叠或起皱，或者由于形成导电绒毛而出现短路故障。”

“通过我们正在研究的 2D 通信方法，元件不再用许多单独隔离的电线连接。所有元件都是并联连接的，因此不会发生因短路而导致的故障。这是因为所有元件一开始就已经连接起来了。”

避免单独布线并使用统一材料并联连接所有部件还有其他优点。 “面料是通过标准化的机织或针织工艺制成的，因此可以批量生产成卷。我们可以用同一种面料制作裤子或夹克，或长袖或短袖。此外，成品服装可以通过改变电子电路的安装位置或添加和删除电路来自由修改。”

然而，由于同一传输线用于供电和数据传输，因此需要多路传输系统。在野田博士的研究中，通过一种称为频分复用（FDM）的技术同时进行连续直流供电和数据通信。

“同时性是一个关键点。与在通信过程中停止供电的系统相比，它允许系统满足更大的电力和通信需求。在这方面，需要在电路方面采取创造性的方法。”

博士。野田还开发了新的电路技术，通过添加一些电子电路来提供与现有串行通信方法的兼容性。与广泛使用的现有通信系统兼容，允许按原样使用商用传感器 IC 等，这有利于使用 IC 和现有通信软件库中内置的复杂功能。

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对健康管理和预防医学应用以及推动VR行业发展寄予厚望

野田博士研发的重点可穿戴网络可以同时为衣服上的传感器供电并与其通信，因此在工业应用方面具有巨大潜力，并且在健康管理和预防医学等领域具有很高的期望。

“借助这项技术，我们可以通过在人体表面的不同位置安装和操作传感器和其他设备来收集全面的数据。这意味着我们可以实现更精确的测量。如果将来我们可以将设备安装在日常穿着的休闲服装上，那么，例如，我们将能够对体力劳动者说：‘你的肌肉活动明显表明负荷很高。请休息一下。’”

这不是疲劳等主观指标，也不是工作时间等间接指标。可以根据客观、直接的数值进行健康管理，打造更安全、更有保障的工作环境。该技术还可以支持老年人的家庭医疗保健，并捕获详细的身体数据，因此我们也有可能看到其在运动科学以及在 VR 中处理全身触觉的系统的应用。

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博士。野田：“在开发此类解决社会问题和创建新产业的应用系统时，需要进行大量的试验和错误，我去年就任现职，我期待着与XK星空的学生们一起认真地做到这一点。”为了让他的学生能够自由地进行研究，野田博士希望建立一个尽可能不受约束、专注于创造性工作的环境。

当被问到是什么吸引他从事研究时，野田博士说：“这是一种成就感。我注意到一些事情——‘嗯，如果我继续这样做，也许是可能的’——然后我用我的知识验证了这一点，瞧！它确实有效。”

“我想在研究中确立的‘想法’颠覆了电子学的既定思维。这是一种范式转变，从稳步提高集成密度并将更高的功能封装到手掌大小的设备中，到通过将简单的电路分散在更广泛的区域或整个身体上来实现新功能。”

在产出研究成果以满足医学和 VR 等领域的社会和工业需求的同时，野田博士将继续努力确立他的想法，并强调电子领域新范例的潜力。

发布日期：2023 年 11 月/采访日期：2022 年 11 月