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创新Wi-Fi技术解决植入式医疗装置联网难题

这项发明能为电力和功耗受限的设备,例如植入式医疗装置,带来与其他装置透过标准Wi-Fi通信“交谈”的能力……

美国华盛顿大学的研究人员开发了一种他们称之为“间散射通信”的技术,反向散射或反射像是空气中的蓝牙等现存信号,将无线传输由某种技术转变成另一种;华盛顿大学的电子工程与计算机科学系团队,还首度展示了蓝牙传输如何能被用来建立兼容Wi-Fi与ZigBee的信号。PWIesmc

也就是说,这种技术能为功率受限的设备例如医疗植入设备带来与其他设备透过标准Wi-Fi通信“交谈”的能力。上述论文共同作者、华盛顿大学电子工程系博士生Vikram Iyer表示,可以想象一下例如智能隐形眼镜、大脑植入设备或是信用卡等尺寸微小的设备:“它们无法使用蓝牙或是Wi-Fi芯片,因为会消耗太多功率在产生它们自己的无线电信号上。”PWIesmc

“间散射通信”并不需要产生自己的无线电信号,那些间散射设备能把邻近设备例如智能手表所传输的无线信号“回收再利用”;Iyer解释:“我们让像是智能手表、智能手机等设备来做耗电量较大的产生无线电信号工作,然后低功率的隐形眼镜、植入设备或是信用卡等,就能以一种将它们自己的数据编码的方法来反射该信号。”PWIesmc

Iyer补充指出,这种间散射组件的传输并不是正常的无线电,只是一个链接到天线的开关(switch):“开启与关闭这个开关,让我们能改变天线反射能量的方式;只要透过切换开关到正确的速率(rate),我们的间散射组件就能反射由像是智能手表等设备产生的蓝牙信号,让它看起来就像是能用手机接收的Wi- Fi封包。”
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“间散射”通信能利用日常所见行动设备产生低功耗Wi-Fi传输;例如图中来自智能手表(左)的蓝牙信号,能为大脑植入设备(右)透过Wi-Fi传输数据到智能手机(来源:Mark Stone,华盛顿大学)PWIesmc

例如该团队示范利用智能手表把一个蓝牙信号传输到配备了天线的智能隐形眼镜,为了制作一块能写入新讯息的“白板”,华盛顿大学团队开发了一种方法把蓝牙传输变成能被进一步操纵与转换的“单频(single tone)”信号。透过反向散射该单频信号,隐形眼镜能将数据编码(例如所收集的健康信息)到智能手机、平板设备或笔记本电脑可阅读的标准Wi-Fi封包。PWIesmc

对植入式医疗设备来说,维持电池续航力至关重要;“如果你的植入设备内有无线电会很快消耗电池电力,可能得动手术才能换电池;”lyer表示:“而像是隐形眼镜那么小的东西,若配备微型电池甚至恐怕不足以供应一般Wi-Fi或蓝牙芯片所需电力。”他指出,间散射能让那些植入设备拥有Wi-Fi功能,而且所需电力是那些普通Wi-Fi芯片的万分之一。PWIesmc

让植入设备能“说话”

许多植入设备到目前为止都无法传送讯息,因为它们的尺寸以及被装在人体内,无法利用Wi-Fi将数据传输到智能手机或其他行动设备上;Iyer表示,赋予植入式设备与其他设备沟通的能力:“可以改变我们管理慢性疾病的方式;举例来说,隐形眼镜能被用来透过泪液监测糖尿病患者的血糖值,并在血糖值降低时发送通知到手机上。”PWIesmc

在被问到为何该团队选择反射蓝牙信号时,Iyer的回答是:“因为蓝牙被行动设备广泛采用,其移频键控(frequency shift keying)通信协议,使其能容易利用我们的技术转换成Wi-Fi;”他补充指出:“我们认为把蓝牙变成Wi-Fi很酷,因为后者的数据传输速率很高。我们也证实能用同样的技术把蓝牙变成ZigBee,甚至是另一个不同的蓝牙封包。”PWIesmc

克服挑战

在开发这种通信技术的过程中,华盛顿大学团队也遭遇了一些挑战;包括后向散射的过程会产生不需要的信号镜像复制,因此消耗更多带宽,以及与镜像复制Wi-Fi信道网络之间的干扰。不过该团队开发了一种叫做“单边带后向散射(single sideband backscatter)”的技术,避免那些不想要的副产品出现。
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华盛顿大学的“间散射”通信技术研发团队成员,分别为电子工程系博士生Bryce Kellogg (左)、电子工程系博士生Vikram Iyer (右),以及计算机科学既工程研究助理Vamsi Talla(中);还有另两位成员Shyam Gollakota与Joshua Smith(未出现在照片中) (来源:Mark Stone,华盛顿大学)PWIesmc

论文共同作者、华盛顿大学电子工程博士生Bryce Kellogg表示:“那意味着我们能只用跟Wi-Fi网络一样的带宽,而且仍然可以让其他Wi-Fi网络运作、不会产生干扰。”研究团队为先前不可行的应用建立了三个概念验证范例,包括能直接与智能手机、智能手表的沟通的智能隐形眼镜、植入式神经纪录设备(implantable neural recording device)。
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Junko Yoshida
ASPENCORE全球联席总编辑,首席国际特派记者。曾任把口记者(beat reporter)和EE Times主编的Junko Yoshida现在把更多时间用来报道全球电子行业,尤其关注中国。 她的关注重点一直是新兴技术和商业模式,新一代消费电子产品往往诞生于此。 她现在正在增加对中国半导体制造商的报道,撰写关于晶圆厂和无晶圆厂制造商的规划。 此外,她还为EE Times的Designlines栏目提供汽车、物联网和无线/网络服务相关内容。 自1990年以来,她一直在为EE Times提供内容。
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