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，隨著電子器件越變越小，越變越快，“可穿戴設(shè)備”的數(shù)量不斷增長。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，攻擊者可通過遠(yuǎn)程安裝惡意軟件的方式控制心臟起搏器，使之對心臟產(chǎn)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(shè)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(jié)果又會怎樣？這個領(lǐng)域的研究稱為“人體通信（HBC）”。

例如，美國普渡大學(xué)采用一種稱為“電準(zhǔn)靜態(tài)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(nèi)，使鄰近的竊聽者很難截獲關(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(shè)備的設(shè)計與運作?！?/span>

在這項研究中，日本科學(xué)家團(tuán)隊：Dairoku Muramatsu 博士（來自東京理科大學(xué)）、Yoshifumi Nishida 先生、Ken Sasaki 教授、Kentaro Yamamoto 先生（以上三位均來自東京大學(xué)）、Fukuro Koshiji 教授（來自東京工藝大學(xué)），通過構(gòu)建信號傳輸?shù)牡刃щ娐纺Ｐ蛠矸治鲞@些特性，這些信號通過觸摸從身體傳輸至體外的接收機(jī)。

技術(shù)

首先，讓我們來準(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?shù)姆忾]性導(dǎo)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(shè)備直接與身體交互，也意味著它將帶來可靠的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

人體通信技術(shù)采用電極取代天線，將信號耦合至人體。這種方式可用于將電場從發(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。這一點非常重要，因為這樣一來，科學(xué)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(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，最終對于接收信號的功率產(chǎn)生影響。信號從發(fā)射機(jī)電極發(fā)出，并流過全身。身體的導(dǎo)電性將電場與環(huán)境結(jié)合起來，作為傳輸信號的返回路徑。

發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的信號電極以及發(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。他們報告稱，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。

價值

這項研究發(fā)現(xiàn)的重要性在于，它使得科學(xué)家可以設(shè)計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，并有望更好地適應(yīng)用戶交互。

讓我們來看看目前絕大多數(shù)的人機(jī)交互技術(shù)，鍵盤、屏幕、開關(guān)和線主導(dǎo)了我們的通信方式。在過去幾十年中，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有發(fā)生改變。我們?nèi)匀粫谧雷忧懊孀蠋讉€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(wǎng)絡(luò)的開放特性，使得數(shù)據(jù)非常容易受到黑客攻擊。

通過將人體本身作為網(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(chǎn)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(shù)據(jù)通信。因此，人體通信的應(yīng)用應(yīng)該主要集中在長期、低功耗地傳輸容量相對較低的數(shù)據(jù)，例如鑒權(quán)信息和生物醫(yī)學(xué)信號?！?/span>