日本科学家发布针对阻抗和电极的人体通信性能的最新研究

近日，日本科学家报告了针对阻抗和电极的人体通信性能，他们称这项研究“有望改善基于人体通信的设备的设计与运作。”在这项研究中，日本科学家团队：Dairoku Muramatsu 博士（来自东京理科大学）、Yoshifumi Nishida 先生、Ken Sasaki 教授、Kentaro Yamamoto 先生（以上三位均来自东京大学）、Fukuro Koshiji 教授（来自东京工艺大学），通过构建信号传输的等效电路模型来分析这些特性，这些信号通过触摸从身体传输至体外的接收机。

（图片来源：Dairoku Muramatsu & Yoshifumi Nishida）

Wi-Fi和蓝牙等无线通信技术，使得远程连接变得更容易。然而，随着电子器件越变越小，越变越快，“可穿戴设备”的数量不断增长。从智能手表到植入式设备，这些设备与人体交互的方式迥异于计算机与人体交互的方式。

（图片来源：MIT）

（图片来源：Rikky Muller, 加州大学伯克利分校）

然而，它们都采用了同样的协议去传输信息，因此容易暴露于同样的安全风险中。如果植入式设备受到黑客攻击，那么病人的生命安全将面临直接威胁。例如，攻击者可通过远程安装恶意软件的方式控制心脏起搏器，使之对心脏产生致命打击，或者需要挽救病人生命时却拒绝工作。

黑客（图片来源：普渡大学）

这种攻击的重要手段之一，就是拦截与分析植入式设备与外界通信的无线电信号。

可是如果我们采用人体本身来传输和采集信息，结果又会怎样？这个领域的研究称为“人体通信（HBC）”。

人体可以安全地携带信号（图片来源：Erin Easterling/普渡大学）

例如，美国普渡大学采用一种称为“电准静态场人体通信（EQS-HBC）”的方法，通过低频信号传输，将信号限制在人体之内，使邻近的窃听者很难截获关键的隐私数据，形成一种私密的通信信道，也就是人体。

（图片来源: 参考资料【1】）

首先，让我们来准确理解人体通信的工作方式，以及为什么它代表着更“安全”的网络。人体通信更加安全，因为它采用了一个低频信号，该信号会随着距离增大而急剧衰减。传输的封闭性导致干扰变小以及可靠性变高，从而带来了更安全的连接。让设备直接与身体交互，也意味着它将带来可靠的生物医学应用。

人体通信技术采用电极取代天线，将信号耦合至人体。这种方式可用于将电场从发射机传导至接收机，从而进行数据通信。人体通信接收机的工作方式很像无线电频率接收机；但是，判断其输入阻抗的困难程度要更高。这一点非常重要，因为这样一来，科学家们可以最大化接收信号的功率。

最重要的因素就是电极的排列方式，以及接收机与发射机之间的距离。这些因素影响了输出阻抗以及等效的系统源电压，最终对于接收信号的功率产生影响。信号从发射机电极发出，并流过全身。身体的导电性将电场与环境结合起来，作为传输信号的返回路径。

发射机与接收机的信号电极以及发射机的接地电极，都粘贴在身体上。接收机的接地电极“浮”在空中。这一点不同于其他的现代人体通信装置，在那些装置中，所有的接地电极都“浮”在空中。研究人员发现，阻抗随着发射机电极之间的距离增加而增加。有意思的是，他们也发现地面接收机的尺寸是影响发射的另一因素。他们报告称，地面接收机与人体之间的电容耦合，随着地面接收机变大而增加。

这项研究发现的重要性在于，它使得科学家可以设计更加高效的人体通信装置，这些装置可以更好地适应人体电场，并有望更好地适应用户交互。

让我们来看看目前绝大多数的人机交互技术，键盘、屏幕、开关和线主导了我们的通信方式。在过去几十年中，除了智能手机与触摸屏以外，这些基本的用户接口几乎没有发生改变。我们仍然会在桌子前面坐上几个小时，眼睛盯着显示器看。我们的连接非常依赖于无线信号。因此，这些网络的开放特性，使得数据非常容易受到黑客攻击。通过将人体本身作为网络，人体通信技术有望改变上述局面。

Muramatsu 博士和 Nishida 先生表示：“因为人体通信所用的电场具有随着距离急剧衰减的特性，信号在传输期间很难泄露到周围空间中。因此，采用这种人体通信模型有望开启高度保密且不会产生电磁噪音的通信方式。然而，人体通信的一个重要缺点就是，它无法用于高速数据通信。因此，人体通信的应用应该主要集中在长期、低功耗地传输容量相对较低的数据，例如鉴权信息和生物医学信号。”

文章来源：环球创新智慧