日本科學(xué)家最新研究：讓人體通信更有效！

背景

Wi-Fi和藍(lán)牙等無(wú)線通信技術(shù)，使得遠(yuǎn)程連接變得更容易。然而，隨著電子器件越變?cè)叫?，越變?cè)娇?，“可穿戴設(shè)備”的數(shù)量不斷增長(zhǎng)。從智能手表到植入式設(shè)備，這些設(shè)備與人體交互的方式迥異于計(jì)算機(jī)與人體交互的方式。

然而，它們都采用了同樣的協(xié)議去傳輸信息，因此容易暴露于同樣的安全風(fēng)險(xiǎn)中。如果植入式設(shè)備受到黑客攻擊，那么病人的生命安全將面臨直接威脅。例如，攻擊者可通過(guò)遠(yuǎn)程安裝惡意軟件的方式控制心臟起搏器，使之對(duì)心臟產(chǎn)生致命打擊，或者需要挽救病人生命時(shí)卻拒絕工作。

這種攻擊的重要手段之一，就是攔截與分析植入式設(shè)備與外界通信的無(wú)線電信號(hào)。

可是如果我們采用人體本身來(lái)傳輸和采集信息，結(jié)果又會(huì)怎樣？這個(gè)領(lǐng)域的研究稱(chēng)為“人體通信（HBC）”。

例如，美國(guó)普渡大學(xué)采用一種稱(chēng)為“電準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)人體通信（EQS-HBC）”的方法，通過(guò)低頻信號(hào)傳輸，將信號(hào)限制在人體之內(nèi)，使鄰近的竊聽(tīng)者很難截獲關(guān)鍵的隱私數(shù)據(jù)，形成一種私密的通信信道，也就是人體。

創(chuàng)新

近日，日本科學(xué)家報(bào)告了針對(duì)阻抗和電極的人體通信性能，他們稱(chēng)這項(xiàng)研究“有望改善基于人體通信的設(shè)備的設(shè)計(jì)與運(yùn)作?！?/span>

在這項(xiàng)研究中，日本科學(xué)家團(tuán)隊(duì)：Dairoku Muramatsu 博士（來(lái)自東京理科大學(xué)）、Yoshifumi Nishida 先生、Ken Sasaki 教授、Kentaro Yamamoto 先生（以上三位均來(lái)自東京大學(xué)）、Fukuro Koshiji 教授（來(lái)自東京工藝大學(xué)），通過(guò)構(gòu)建信號(hào)傳輸?shù)牡刃щ娐纺Ｐ蛠?lái)分析這些特性，這些信號(hào)通過(guò)觸摸從身體傳輸至體外的接收機(jī)。

技術(shù)

首先，讓我們來(lái)準(zhǔn)確理解人體通信的工作方式，以及為什么它代表著更“安全”的網(wǎng)絡(luò)。人體通信更加安全，因?yàn)樗捎昧艘粋€(gè)低頻信號(hào)，該信號(hào)會(huì)隨著距離增大而急劇衰減。傳輸?shù)姆忾]性導(dǎo)致干擾變小以及可靠性變高，從而帶來(lái)了更安全的連接。讓設(shè)備直接與身體交互，也意味著它將帶來(lái)可靠的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

人體通信技術(shù)采用電極取代天線，將信號(hào)耦合至人體。這種方式可用于將電場(chǎng)從發(fā)射機(jī)傳導(dǎo)至接收機(jī)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。人體通信接收機(jī)的工作方式很像無(wú)線電頻率接收機(jī)；但是，判斷其輸入阻抗的困難程度要更高。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)檫@樣一來(lái)，科學(xué)家們可以最大化接收信號(hào)的功率。

最重要的因素就是電極的排列方式，以及接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的距離。這些因素影響了輸出阻抗以及等效的系統(tǒng)源電壓，最終對(duì)于接收信號(hào)的功率產(chǎn)生影響。信號(hào)從發(fā)射機(jī)電極發(fā)出，并流過(guò)全身。身體的導(dǎo)電性將電場(chǎng)與環(huán)境結(jié)合起來(lái)，作為傳輸信號(hào)的返回路徑。

發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的信號(hào)電極以及發(fā)射機(jī)的接地電極，都粘貼在身體上。接收機(jī)的接地電極“浮”在空中。這一點(diǎn)不同于其他的現(xiàn)代人體通信裝置，在那些裝置中，所有的接地電極都“浮”在空中。研究人員發(fā)現(xiàn)，阻抗隨著發(fā)射機(jī)電極之間的距離增加而增加。有意思的是，他們也發(fā)現(xiàn)地面接收機(jī)的尺寸是影響發(fā)射的另一因素。他們報(bào)告稱(chēng)，地面接收機(jī)與人體之間的電容耦合，隨著地面接收機(jī)變大而增加。

價(jià)值

這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)的重要性在于，它使得科學(xué)家可以設(shè)計(jì)更加高效的人體通信裝置，這些裝置可以更好地適應(yīng)人體電場(chǎng)，并有望更好地適應(yīng)用戶交互。

讓我們來(lái)看看目前絕大多數(shù)的人機(jī)交互技術(shù)，鍵盤(pán)、屏幕、開(kāi)關(guān)和線主導(dǎo)了我們的通信方式。在過(guò)去幾十年中，除了智能手機(jī)與觸摸屏以外，這些基本的用戶接口幾乎沒(méi)有發(fā)生改變。我們?nèi)匀粫?huì)在桌子前面坐上幾個(gè)小時(shí)，眼睛盯著顯示器看。我們的連接非常依賴于無(wú)線信號(hào)。因此，這些網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放特性，使得數(shù)據(jù)非常容易受到黑客攻擊。

通過(guò)將人體本身作為網(wǎng)絡(luò)，人體通信技術(shù)有望改變上述局面。

Muramatsu 博士和 Nishida 先生表示：“因?yàn)槿梭w通信所用的電場(chǎng)具有隨著距離急劇衰減的特性，信號(hào)在傳輸期間很難泄露到周?chē)臻g中。因此，采用這種人體通信模型有望開(kāi)啟高度保密且不會(huì)產(chǎn)生電磁噪音的通信方式。然而，人體通信的一個(gè)重要缺點(diǎn)就是，它無(wú)法用于高速數(shù)據(jù)通信。因此，人體通信的應(yīng)用應(yīng)該主要集中在長(zhǎng)期、低功耗地傳輸容量相對(duì)較低的數(shù)據(jù)，例如鑒權(quán)信息和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)?！?/span>