日本科學家最新研究：讓人體通信更有效！

背景

Wi-Fi和藍牙等無線通信技術，使得遠程連接變得更容易。然而，隨著電子器件越變越小，越變越快，“可穿戴設備”的數量不斷增長。從智能手表到植入式設備，這些設備與人體交互的方式迥異于計算機與人體交互的方式。

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

這種攻擊的重要手段之一，就是攔截與分析植入式設備與外界通信的無線電信號。

可是如果我們采用人體本身來傳輸和采集信息，結果又會怎樣？這個領域的研究稱為“人體通信（HBC）”。

例如，美國普渡大學采用一種稱為“電準靜態場人體通信（EQS-HBC）”的方法，通過低頻信號傳輸，將信號限制在人體之內，使鄰近的竊聽者很難截獲關鍵的隱私數據，形成一種私密的通信信道，也就是人體。

創新

近日，日本科學家報告了針對阻抗和電極的人體通信性能，他們稱這項研究“有望改善基于人體通信的設備的設計與運作。”

在這項研究中，日本科學家團隊：Dairoku Muramatsu 博士（來自東京理科大學）、Yoshifumi Nishida 先生、Ken Sasaki 教授、Kentaro Yamamoto 先生（以上三位均來自東京大學）、Fukuro Koshiji 教授（來自東京工藝大學），通過構建信號傳輸的等效電路模型來分析這些特性，這些信號通過觸摸從身體傳輸至體外的接收機。

技術

首先，讓我們來準確理解人體通信的工作方式，以及為什么它代表著更“安全”的網絡。人體通信更加安全，因為它采用了一個低頻信號，該信號會隨著距離增大而急劇衰減。傳輸的封閉性導致干擾變小以及可靠性變高，從而帶來了更安全的連接。讓設備直接與身體交互，也意味著它將帶來可靠的生物醫學應用。

人體通信技術采用電極取代天線，將信號耦合至人體。這種方式可用于將電場從發射機傳導至接收機，從而進行數據通信。人體通信接收機的工作方式很像無線電頻率接收機；但是，判斷其輸入阻抗的困難程度要更高。這一點非常重要，因為這樣一來，科學家們可以最大化接收信號的功率。

最重要的因素就是電極的排列方式，以及接收機與發射機之間的距離。這些因素影響了輸出阻抗以及等效的系統源電壓，最終對于接收信號的功率產生影響。信號從發射機電極發出，并流過全身。身體的導電性將電場與環境結合起來，作為傳輸信號的返回路徑。

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

價值

這項研究發現的重要性在于，它使得科學家可以設計更加高效的人體通信裝置，這些裝置可以更好地適應人體電場，并有望更好地適應用戶交互。

讓我們來看看目前絕大多數的人機交互技術，鍵盤、屏幕、開關和線主導了我們的通信方式。在過去幾十年中，除了智能手機與觸摸屏以外，這些基本的用戶接口幾乎沒有發生改變。我們仍然會在桌子前面坐上幾個小時，眼睛盯著顯示器看。我們的連接非常依賴于無線信號。因此，這些網絡的開放特性，使得數據非常容易受到黑客攻擊。

通過將人體本身作為網絡，人體通信技術有望改變上述局面。

Muramatsu 博士和 Nishida 先生表示：“因為人體通信所用的電場具有隨著距離急劇衰減的特性，信號在傳輸期間很難泄露到周圍空間中。因此，采用這種人體通信模型有望開啟高度保密且不會產生電磁噪音的通信方式。然而，人體通信的一個重要缺點就是，它無法用于高速數據通信。因此，人體通信的應用應該主要集中在長期、低功耗地傳輸容量相對較低的數據，例如鑒權信息和生物醫學信號。”