新しい生地により、袖をスワイプするだけで安全な支払いと健康モニタリングが可能に

科学技術の急速な発展に伴い、人間とコンピュータの相互作用は徐々に私たちの生活に組み込まれてきました。携帯電話、コンピューター、スマートブレスレット、その他の電子製品を使用する場合でも、私たちは人間とコンピューターの相互作用を行っています。

あなたは次のようなことを考えたことがありますか:

モバイル決済ではスキャンの必要がなくなり、袖をスワイプするだけで安全に支払うことができます。

健康状態を監視するためにスマートブレスレットはもう必要ありません。服を着るだけで、身体データをリアルタイムで取得できます。

車を始動するのにキーはもう必要ありません。座席に座るだけで、車があなたの服装を認識し、あなたの指示に従います。

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こうした想像はSF的で非現実的に聞こえるが、今や科学者たちはそれを現実のものにしている。

最近、カリフォルニア大学のピーター・ツェン教授のチームは、先進的な磁気メタマテリアルを柔軟な繊維に統合し、衣服と近くのデバイスとの間でバッテリーを使わずに通信できるシステムを開発しました。

この繊維により、着用者は袖を軽く触れたりスワイプしたりするだけで安全な支払いができるなど、近くの電子機器とデジタル的にやり取りしたり、バイタルサインを継続的に監視して送信したりすることが可能になる。

（出典：ネイチャーエレクトロニクス）

「近接場マルチボディエリアネットワークのための繊維統合メタマテリアル」と題された関連研究論文が、科学誌「ネイチャーエレクトロニクス」に掲載されました。

ウェアラブルデバイスにNFCを追加する

1975年に最初の計算機付き腕時計が発売され、スマートなウェアラブルデバイスが私たちの生活に入り始めました。

テクノロジーの発展に伴い、スマートブレスレット、スマートグラス、スマートファブリックなど、ますます多くのスマートウェアラブルデバイスが私たちの生活に登場しています。

これらのスマートなウェアラブルデバイスにより、外部情報をより効率的に処理し、人間の活動や健康を監視できるようになります。

現在、人間の健康モニタリングと活動追跡技術は、主にウェアラブルまたは埋め込み型センサーに依存しています。これらのセンサーは、私たちの身体と物体との相互作用からの情報を解釈できるマルチノード ネットワークを作成します。

このようなネットワークでは、生体認証情報をリアルタイムで解析するために、ノード間の安全で信頼性の高い通信リンクが必要であり、これはボディエリアネットワーク (BAN) と呼ばれることがよくあります。

BAN を作成するには、体の周囲に複数のセンサーを接続する必要がありますが、人体の動きを制限しないように、これらのセンサーのほとんどはワイヤレス接続を使用しています。

従来、BAN で構成された無線通信には、カスタム RF センサー、RFID、または Bluetooth が含まれます。しかし、これらの放射方式には通常、消費電力が大きい、セキュリティが低い（盗聴されるなど）などの問題があります。

近距離無線通信（NFC）を使用すると、上記の問題を効果的に解決し、通信のセキュリティを向上させることができます。

では、NFC テクノロジーとは何でしょうか?

NFC は、ほとんどのスマートフォンに搭載されている無線周波数識別技術です。たとえば、スマートフォンやクレジットカードをリーダーの近くで使って支払うときは、近距離無線通信技術を使用していることになります。

NFC は、デバイスに電力を供給するだけでなく、デバイスからデータを収集するためにも使用できます。

その結果、この技術はウェアラブルセンサーのバッテリーの必要性をなくし、デバイスを軽量、長寿命、低コストにする可能性を秘めています。

この一見「完璧」な技術の裏には、通信範囲が狭すぎて数センチメートルの近距離通信しか実現できないという致命的な欠陥があります。

この技術を人体に使用する場合、体全体にわたる接続を確立することは困難です。 （結局みんな足が1.8メートルあるんだな、腹立たしい）

この問題に対処するため、研究者らの繊維は、信号が最小限の損失で伝播できるトラックを使用することで NFC の範囲を拡大します。

図｜繊維一体型メタマテリアルをベースとしたBAN。 （出典：本紙解説記事）

信号伝送は「全方向に拡張」されます

研究者たちは、現在の低コストのビニール製衣料品の生産にヒントを得て、磁気電気誘導ネットワークを繊維に組み込みました。

このアプローチにより、現代のウェアラブル デバイスの柔軟な生地に必要な複雑な縫製技術や高価なワイヤーが不要になります。

磁気メタマテリアルにより、信号がトラックに沿って伝播することが可能になります。

これらのトラックは、人工的な周期を持つ個々のコンポーネントによって制御されます。各ユニットはインダクタとスロット付きグランド層で構成されています。ユニットは布地に固定することで相互に接続されます。隣接するインダクタが重なり合って、磁気誘導導波管と呼ばれる構造を形成します。

NFC リーダーがセルの近くにあると、セル内の電圧と電流が刺激され、隣接するセルが刺激されて結合効果が形成されます。

この結合効果により、構造全体に沿って信号のカスケードが発生し、伝播波として説明できます。

図｜繊維一体型磁気誘導経路。 a.共振器の製造と繊維の統合手順。 b、共振器のスタックを示す拡大画像。紀元前最適な信号伝送と電力分配を実現するためのさまざまな柔軟な共振器設計。 d.ウェアラブル モジュラー ネットワークは衣服に組み込まれ、機械的なグリッパーとして機能する透明な熱伝導性ビニールで覆われています。 e.共振器は、より広い近接場領域をカバーするように設計でき、特別な色のビニール設計に埋め込むことができます。これにより、ネットワークは機能とスタイルをカスタマイズできます。 f.バッテリー不要の NFC トランスポンダーには、ひずみセンサーと温度センサーが統合されており、それぞれのセンサーの状態を NFC リーダーに送信します。 （出典：本論文）

研究者たちはこの効果を利用して、体を横切り、複数の枝に分かれ、さまざまな衣服の隙間にまたがる軌跡を作成した。

彼らはこの技術を、衣服の上に交差させることで電力と信号を伝送できる「鉄道」に例えている。

このシステムにより、新しいアイテムを簡単に追加できるだけでなく、さまざまな衣服が互いに「対話」できるようになります。

特に、ズボンのポケットに装着した NFC リーダーが、胸部、腹部、膝、足首に取り付けられた市販のセンサーに電力を供給できる可能性があると指摘しています。

ピーター・ツェン教授は「これは、携帯電話をポケットに入れて、他の繊維やリーダーに体をこすりつけるだけで、電力と情報がデバイスを介して転送されることを意味する」と述べた。

この革新的なデザインは非常に柔軟性が高く、運動中はパンツが心拍数やその他の統計を追跡するトップと通信しながら脚の動きを測定できます。このスーツを着た2人が、お互いの手首を軽くたたいて「ハイタッチ」することで、文字を交換できる。

論文の筆頭著者であるアミールホセイン・ハジアガジャニ博士は、この技術の医療用途は無数にあるとし、例えば、これらのセンサーをメタマテリアルを備えた医療用​​ユニフォームに組み込むことができるため、病院のスタッフが多数の患者センサーを取り付ける作業から解放されるなどと述べた。

ピーター・ツェン教授は「衣服を無線リーダーの上に吊るすと、電子機器が信号を送信するので、ハイタッチや握手だけで情報を共有できる」と語った。

図｜繊維集積導波路を用いたマルチトランスポンダ・マルチバンド通信a.シャツとパンツは、パンツ/シャツ端末の上下にあります。 NFC リーダーは複数のセンサーから情報を受信し、外部バッテリーに接続されます。 b. BAN 内の時間ベースのマルチセンサー読み取りにより、人間の活動のリアルタイム、短期、低速監視が実現します。紀元前高速かつ長時間の屋内ウォーキング/ランニング活動測定。 d.さまざまな速度プロファイルでの屋内操作中にセンサーを監視します。 e.屋内での操作中の長期的なパケット損失の監視。 f.人体間通信は、NFC のプラグ アンド プレイの性質を通じて実現され、長時間にわたって手を近づけたり遠ざけたりすることでその伝送が測定され、さまざまな VD 値が得られます。 （出典：本論文）

研究者らは、この繊維は低コストで製造が簡単で、興味深いウェアラブルデザインと組み合わせることができると述べている。それ以上に、彼らはこのデザインによって現代の電子機器が私たちの生活にもたらす負担を軽減できることを期待しています。

玉にきず

この技術の発明は斬新ですが、さらなる研究が必要な問題がまだいくつか残っています。

毎日着る服は使い捨てではないので、この生地の耐久性は考慮する価値があります。研究者らは、この繊維は洗濯に耐えられるが、日常的な摩耗に耐えるには、より丈夫な導電性材料が必要になるだろうと述べている。

第二に、ファブリックとより多くのリーダーやセンサーとの相互作用は、まだ開発の方向にあります。スマートフォンや皮膚に取り付けるセンサーが、回路基板のプロトタイプの代替として同様の性能を達成できるかどうかは、未解決の問題のままです。

テクノロジーは私たちの生活をよりインテリジェントにします。将来、私たちは機械同士のつながりや人と人との会話に満足するのではなく、人と機械のやりとりに満足するようになるでしょう。

人間とコンピュータの相互作用を通じて、「アバター」のアバターのように静かにコミュニケーションできるようになるかもしれません。携帯電話の画面を使う必要がなくなり、ジェスチャーだけでデバイスを操作できるようになるかもしれません。科学技術の発展は、きっと私たちにさらなる利便性をもたらすでしょう。

参考文献:
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00663-0
https://www.nature.com/articles/s41928-021-00674-x
https://techxplore.com/news/2021-11-uci-people-high-five.html

出典: アカデミックヘッドライン

執筆：ハオ・ジン 編集：コウ・ジャンチャオ