Under det senaste decenniet har en stor trend inom elektronik har varit utvecklingen av sensorer, skärmar och smarta enheter som sömlöst integreras i människokroppen. De flesta av dessa bärbara enheter är enskilt anslutna till en användares smarttelefon och överför all data via Bluetooth- eller Wi-Fi-signaler. Men när konsumenterna bär allt fler bärbara enheter, och när data de överför ökar i sofistikering, mer innovativa anslutningsmetoder eftertraktas.

Nu, forskare från National University of Singapore (NUS) har uppfunnit ett helt nytt sätt för bärbara enheter att ansluta. De införlivade ledande textilier i kläder för att dynamiskt ansluta flera bärbara enheter samtidigt. Detta "trådlösa kroppssensornätverk" tillåter enheter att överföra data med 1, 000 gånger starkare signal än konventionell teknik, vilket betyder att batterilivslängden för alla enheter förbättras dramatiskt. Trådlösa nätverk av dessa bärbara enheter på en kropp har framtida applikationer inom hälsoövervakning, medicinska ingrepp och gränssnitt mellan människa och maskin.

Detta teknologiska genombrott, vilket tog tio medlemmar ett år att uppnå, publicerades som omslag till Nature Electronics den 17 juni 2019.

Bättre dataöverföring, större integritet

För närvarande, nästan alla kroppssensorer som smarta klockor ansluter till smartphones och annan bärbar elektronik via radiovågor som Bluetooth och Wi-Fi. Dessa vågor strålar utåt i alla riktningar, vilket innebär att det mesta av energin går förlorad till det omgivande området. Denna anslutningsmetod minskar drastiskt effektiviteten hos den bärbara tekniken eftersom det mesta av dess batteritid förbrukas när du försöker ansluta.

Som sådan, Docent John Ho och hans team från Institute for Health Innovation &Technology (NUS iHealthtech) och NUS tekniska fakultet ville begränsa signalerna mellan sensorerna närmare kroppen för att förbättra effektiviteten.

Deras lösning var att förbättra vanliga kläder med ledande textilier som kallas metamaterial. Istället för att skicka vågor till omgivande utrymme, dessa metamaterial kan skapa "ytvågor" som kan glida trådlöst runt kroppen på kläderna. Detta innebär att energin i signalen mellan enheter hålls nära kroppen snarare än sprids i alla riktningar. Därav, den bärbara elektroniken använder mycket mindre ström än normalt, och enheterna kan upptäcka mycket svagare signaler.

"Denna innovation möjliggör perfekt överföring av data mellan enheter på effektnivåer som är 1, 000 gånger reducerad. Eller, alternativt, dessa metamaterialtextiler kan öka den mottagna signalen med 1, 000 gånger vilket kan ge dig dramatiskt högre datahastigheter för samma effekt, "Sade prof Ho. Faktum är att signalen mellan enheterna är så stark att det är möjligt att trådlöst överföra ström från en smartphone till själva enheten-öppna dörren för batterifria bärbara enheter.

Avgörande, denna signalförstärkning kräver inga ändringar av vare sig smarttelefonen eller Bluetooth -enheten - metamaterialet fungerar med någon befintlig trådlös enhet i det designade frekvensbandet.

Detta uppfinningsrika sätt att nätverksanordningar ger också mer integritet än konventionella metoder. För närvarande, radiovågor sänder signaler flera meter utåt från personen som bär enheten, vilket innebär att personlig och känslig information kan vara sårbar för potentiella avlyssnare. Genom att begränsa den trådlösa kommunikationssignalen till inom 10 centimeter från kroppen, Asst Prof Ho och hans team har skapat ett säkrare nätverk.

Intelligent design, förbättrade möjligheter

Teamet har ett första års provisoriskt patent på metamaterialets textildesign, som består av en kamformad remsa av metamaterial ovanpå kläderna med ett omönstrat ledarskikt under. Dessa remsor kan sedan ordnas på kläder i valfritt mönster som är nödvändiga för att ansluta alla delar av kroppen. Själva metamaterialet är kostnadseffektivt, i intervallet några dollar per meter, och kan köpas lätt i rullar.

"Vi började med ett specifikt metamaterial som var både plant och kunde stödja ytvågor. Vi var tvungna att göra om strukturen så att den kunde fungera vid de frekvenser som används för Bluetooth och Wi-Fi, prestera bra även när den är nära människokroppen, och kan massproduceras genom att skära ark av ledande textil, "Först prof Ho förklarade.

Teamets speciella design skapades med hjälp av en datormodell för att säkerställa framgångsrik kommunikation inom radiofrekvensområdet och för att optimera den totala effekten. De smarta kläderna tillverkas sedan genom att laserskära det ledande metamaterialet och fästa remsorna med tyglim.

En gång gjord, de "smarta" kläderna är mycket robusta. De kan vikas och böjas med minimal förlust av signalstyrkan, och de ledande remsorna kan till och med skäras eller rivas, utan att hämma de trådlösa funktionerna. Plaggen kan också tvättas, torkad, och strykas precis som vanliga kläder.

Nästa steg

Teamet pratar med potentiella partners för att kommersialisera denna teknik, och inom en snar framtid hoppas Asst Prof Ho att testa de "smarta" textilierna som specialiserade friidrottskläder och för sjukhuspatienter att övervaka prestationer och hälsa. Potentiella tillämpningar kan variera dramatiskt - från att mäta en patients vitala tecken utan att hämma deras rörelsefrihet, för att justera volymen i en atletts trådlösa hörlurar med en enda handrörelse.

"Vi ser för oss att skänka idrottsdräkt, medicinska kläder och andra kläder med sådana avancerade elektromagnetiska förmågor kan förbättra vår förmåga att uppfatta och interagera med omvärlden, "Sa prof Ho.