Neuer Stoff ermöglicht sichere Zahlungen und Gesundheitsüberwachung mit einer Wischbewegung am Ärmel

Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie hat die Mensch-Computer-Interaktion allmählich Einzug in unser Leben gehalten. Ob wir Mobiltelefone, Computer, Smartarmbänder oder andere elektronische Produkte verwenden, wir interagieren zwischen Mensch und Computer.

Haben Sie schon einmal darüber nachgedacht:

Für die mobile Zahlung ist kein Scannen mehr erforderlich, Sie können sicher mit nur einer Wischbewegung Ihres Ärmels bezahlen.

Sie benötigen kein Smartarmband mehr, um Ihre Gesundheit zu überwachen. Sie müssen lediglich Kleidung anziehen, um Ihre körperlichen Daten in Echtzeit zu erhalten.

Sie benötigen keinen Schlüssel mehr, um das Auto zu starten. Sie müssen sich nur auf den Sitz setzen und das Auto erkennt Ihre Kleidung und folgt Ihren Anweisungen.

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Diese Vorstellungen klingen Science-Fiction-mäßig und weit hergeholt, doch Wissenschaftler haben sie nun Wirklichkeit werden lassen.

Kürzlich hat das Team von Professor Peter Tseng an der University of California fortschrittliche magnetische Metamaterialien in flexible Textilien integriert, um ein System zu schaffen, das eine batterielose Kommunikation zwischen Kleidung und Geräten in der Nähe ermöglicht.

Die Textilien könnten es dem Träger ermöglichen, digital mit elektronischen Geräten in der Nähe zu interagieren, beispielsweise sichere Zahlungen durch einfaches Berühren oder Wischen des Ärmels zu tätigen und Vitalfunktionen kontinuierlich zu überwachen und zu übertragen.

(Quelle: Nature Electronics)

Die zugehörige Forschungsarbeit mit dem Titel „Textile-integrated metamaterials for near-field multibody area networks“ wurde in der Fachzeitschrift Nature Electronics veröffentlicht.

Hinzufügen von NFC zu tragbaren Geräten

1975 kam die erste Taschenrechneruhr auf den Markt und intelligente tragbare Geräte hielten Einzug in unser Leben.

Mit der Entwicklung der Technologie tauchen in unserem Leben immer mehr intelligente tragbare Geräte auf, wie etwa intelligente Armbänder, intelligente Brillen, intelligente Stoffe und so weiter.

Diese intelligenten tragbaren Geräte ermöglichen es Menschen, externe Informationen effizienter zu verarbeiten und menschliche Aktivitäten oder die Gesundheit zu überwachen.

Derzeit basieren Technologien zur Überwachung der menschlichen Gesundheit und zur Aktivitätsverfolgung hauptsächlich auf tragbaren oder implantierbaren Sensoren. Diese Sensoren bilden ein Netzwerk mit mehreren Knoten, das Informationen aus den Interaktionen zwischen unserem Körper und Objekten interpretieren kann.

Um diese biometrischen Informationen in Echtzeit zu analysieren, benötigen solche Netzwerke sichere und zuverlässige Kommunikationsverbindungen zwischen Knoten, die oft als Body Area Networks (BANs) bezeichnet werden.

Zum Erstellen von BANs müssen mehrere Sensoren rund um den Körper angeschlossen werden. Um die Bewegung des menschlichen Körpers nicht einzuschränken, verwenden die meisten dieser Sensoren drahtlose Verbindungen.

Traditionell umfasst die in BANs konfigurierte drahtlose Kommunikation benutzerdefinierte HF-Sensoren, RFID oder Bluetooth. Allerdings weisen diese Strahlungsmethoden in der Regel Probleme auf, wie beispielsweise einen hohen Stromverbrauch und eine geringe Sicherheit (z. B. Abhörgefahr).

Der Einsatz von Near Field Communication (NFC) kann die oben genannten Probleme effektiv lösen und die Kommunikationssicherheit verbessern.

Was also ist NFC-Technologie?

NFC ist eine Funkfrequenz-Identifikationstechnologie, die in den meisten Smartphones zu finden ist. Wenn Sie beispielsweise mit Ihrem Smartphone oder Ihrer Kreditkarte in der Nähe eines Lesegeräts bezahlen, verwenden Sie die Near Field Communication-Technologie.

NFC kann sowohl zur Stromversorgung von Geräten als auch zum Sammeln von Daten von ihnen verwendet werden.

Dadurch könnte die Technologie Batterien in tragbaren Sensoren überflüssig machen und die Geräte leichter, langlebiger und kostengünstiger machen.

Hinter dieser scheinbar „perfekten“ Technologie verbirgt sich ein fataler Fehler: Die Kommunikationsreichweite ist zu gering und ermöglicht nur eine Kurzstreckenkommunikation von wenigen Zentimetern.

Bei der Anwendung dieser Technologie am menschlichen Körper ist es schwierig, eine Verbindung über den gesamten Körper hinweg herzustellen. (Schließlich hat jeder 1,8 Meter lange Beine, das ärgert mich total)

Um dieses Problem zu lösen, erweitern die Textilien der Forscher die Reichweite von NFC durch die Verwendung von Leiterbahnen, über die sich das Signal mit minimalem Verlust ausbreiten kann.

Abbildung ｜BANs basierend auf textilintegrierten Metamaterialien. (Quelle: Kommentarartikel zu dieser Zeitung)

Die Signalübertragung wird „in alle Richtungen erweitert“

Inspiriert von der aktuellen kostengünstigen Produktion von Vinylkleidung integrierten die Forscher ein magnetoelektrisches Induktionsnetzwerk in Textilien.

Bei diesem Ansatz werden die komplexen Nähtechniken und teuren Drähte übersprungen, die für flexible Stoffe in modernen tragbaren Geräten erforderlich sind.

Und magnetische Metamaterialien ermöglichen die Ausbreitung von Signalen entlang der Spur:

Diese Spuren werden durch einzelne Komponenten mit einer künstlichen Periode gesteuert. Jede Einheit besteht aus einer Induktivität und einer geschlitzten Erdungsschicht. Die Einheiten werden durch die Befestigung am Stoff miteinander verbunden. Benachbarte Induktoren überlappen sich und bilden eine Struktur, die als magnetischer Induktionswellenleiter bezeichnet wird.

Befindet sich ein NFC-Lesegerät in der Nähe einer Zelle, kann es die Spannung und den Strom in der Zelle stimulieren, was wiederum die benachbarten Zellen stimuliert und einen Kopplungseffekt erzeugt.

Dieser Kopplungseffekt verursacht eine Signalkaskade entlang der gesamten Struktur, die als sich ausbreitende Welle beschrieben werden kann.

Abbildung ｜Textilintegrierter magnetischer Induktionspfad. A. Schritte zur Resonatorherstellung und Textilintegration. b. Vergrößertes Bild des Resonators, das seinen Stapel zeigt. C. Verschiedene flexible Resonatordesigns für optimale Signalübertragung und Leistungsverteilung. D. Das tragbare modulare Netzwerk ist in das Kleidungsstück integriert und mit einem transparenten, wärmeleitenden Vinyl überzogen, das als mechanischer Greifer fungiert. e. Resonatoren können so gestaltet werden, dass sie einen größeren Nahfeldbereich abdecken, und können in speziell gefärbte Vinyldesigns eingebettet werden. Dadurch kann das Netzwerk Funktionalität und Stil anpassen. F. Batterieloser NFC-Transponder mit integrierten Dehnungs- und Temperatursensoren zur Übermittlung des jeweiligen Sensorstatus an den NFC-Reader. (Quelle: Dieses Dokument)

Die Forscher nutzten diesen Effekt, um Spuren zu erzeugen, die den Körper durchqueren, sich in mehrere Zweige aufteilen und die Lücken zwischen verschiedenen Kleidungsstücken überbrücken.

Sie vergleichen die Technologie mit „Eisenbahnen“, die, wenn sie kreuz und quer über ein Kleidungsstück verlaufen, Strom und Signale übertragen können.

Das System erleichtert nicht nur das Hinzufügen neuer Teile, sondern ermöglicht auch, dass verschiedene Kleidungsstücke miteinander „kommunizieren“.

Sie weisen insbesondere darauf hin, dass in der Hosentasche getragene NFC-Lesegeräte handelsübliche Sensoren an Brust, Bauch, Knien und Knöcheln mit Strom versorgen könnten.

Professor Peter Tseng sagte: „Das bedeutet, Sie könnten Ihr Telefon in die Tasche stecken und Ihren Körper einfach an anderen Textilien oder Lesegeräten reiben, und Strom und Informationen würden über Ihr Gerät übertragen.“

Dieses innovative Design ist äußerst flexibel und während des Trainings können die Hosen die Bewegung der Beine messen und gleichzeitig mit dem Oberteil kommunizieren, das die Herzfrequenz und andere Statistiken aufzeichnet. Zwei Personen, die den Anzug tragen, können Briefe austauschen, indem sie ihre Handgelenke gegeneinander klopfen, um sich ein „High Five“ zu geben.

Der Erstautor des Artikels, Dr. Amirhossein Hajiaghajani, sagte, dass die medizinischen Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie zahllos seien. So könne beispielsweise das Krankenhauspersonal von der Aufgabe befreit werden, eine große Zahl von Patientensensoren anzubringen, da diese Sensoren in mit Metamaterialien ausgestattete medizinische Uniformen integriert werden könnten.

Professor Peter Tseng sagte: „Wenn Sie die Kleidung über ein drahtloses Lesegerät halten, sendet das elektronische Gerät ein Signal, sodass Sie Informationen mit einem einfachen High Five oder Händedruck austauschen können.“

Abbildung ｜Verwendung textilintegrierter Wellenleiter für Multi-Transponder- und Multiband-Kommunikation. A. Hemd und Hose oberhalb und unterhalb der Hosen-/Hemdanschlüsse. Der NFC-Leser empfängt Informationen von mehreren Sensoren und ist an eine externe Batterie angeschlossen. B. Eine Echtzeit-, Kurzzeit- und Niedriggeschwindigkeitsüberwachung menschlicher Aktivitäten wird durch zeitbasierte Multisensor-Messungen innerhalb von BANs erreicht. C. Schnelle, langfristige Messung der Geh-/Laufaktivität in Innenräumen. D. Überwachungssensoren während des Innenbetriebs unter verschiedenen Geschwindigkeitsprofilen. e. Langfristige Paketverlustüberwachung beim Innenbetrieb. F. Durch die Plug-and-Play-Funktionalität von NFC wird eine Körper-zu-Körper-Kommunikation erreicht. Die Übertragung wird gemessen, wenn die Hand über einen längeren Zeitraum näher und weiter weg gebracht wird, um verschiedene VD-Werte zu erhalten. (Quelle: Dieses Dokument)

Die Forscher sagen, ihr Textil sei kostengünstig, einfach herzustellen und könne mit interessanten tragbaren Designs kombiniert werden. Darüber hinaus hoffen sie, dass das Design die Belastung unseres Lebens durch moderne Elektronik verringern kann.

ein Haar in der Suppe

Die Erfindung dieser Technologie ist erfrischend, es gibt jedoch noch einige Probleme, die weiterer Forschung bedürfen.

Die Kleidung, die wir täglich tragen, ist kein Wegwerfartikel, daher lohnt es sich, auf die Haltbarkeit dieses Stoffes zu achten. Den Forschern zufolge könnte das Textil einen Waschgang überstehen, es wäre jedoch wahrscheinlich ein robusteres leitfähiges Material erforderlich, um der täglichen Abnutzung standzuhalten.

Zweitens ist die Interaktion von Stoffen mit mehreren Lesegeräten oder Sensoren immer noch eine Entwicklungsrichtung. Ob auf Smartphones und auf der Haut angebrachte Sensoren als Alternative zu Leiterplattenprototypen eine ähnliche Leistung erzielen können, bleibt eine offene Frage.

Technologie macht unser Leben intelligenter. In Zukunft wird es uns nicht mehr nur um die Vernetzung von Maschinen und die Konversation zwischen Menschen gehen, sondern vielmehr um die Interaktion zwischen Mensch und Maschine.

Durch die Mensch-Computer-Interaktion könnten wir möglicherweise lautlos kommunizieren, wie die Avatare in „Avatar“. Wir müssen möglicherweise keine Handybildschirme mehr verwenden und können Geräte einfach durch Gesten bedienen. Die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie wird uns sicherlich mehr Komfort bringen.

Quellen:
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-fünf.html

Quelle: Academic Headlines

Geschrieben von: Hao Jing. Herausgegeben von: Kou Jianchao