用于无线传感器联网的超材料织物的无线电波限制

技术领域

本发明总体上涉及用于无线传感器联网的织物图案上的无线电波限制，并且更具体地涉及一种将无线电波限制到用导电织物(超材料织物)图案化的衣服上的系统和方法。

背景技术

在过去的十年中，与身体无缝集成的传感器、显示器和智能设备的开发取得了迅速的进展。人体上的传感器、显示器和智能设备的无线网络为健康监控、人机界面和其他新兴技术应用提供了强大的功能。

例如，传感器节点之间的直接布线在临床和研究环境中被广泛使用，但是这种方法破坏了身体活动并且与连续使用不兼容。柔性电子技术的最新进展使分布式传感器可以集成到衣服中或皮肤上，但不能解决离散设备的互连问题。

同时，迄今为止，可穿戴设备的无线网络受到辐射损耗、干扰和数据安全性方面的挑战的限制，这些限制是向周围空间使用无线电波辐射所固有的。尽管在先进的通信电路和协议方面取得了令人鼓舞的进步，但是这种无线网络主要由于能量限制和有限的传感器寿命而尚未被广泛采用。

因此，需要这样的系统和方法，该系统和方法能够在佩戴或植入用户体内的设备(例如，传感器、医疗植入物、耳机、显示器和智能设备)之间高效且安全地传输无线信号，或者能够使电力传输到用户身体周围的设备。

发明内容

根据本公开的实施方式，提供了一种有效且安全的方法，用于将无线电波限制在以导电织物图案化的衣服上。在这些织物图案(称为“超材料织物”)附近传输的无线信号会通过等离子体现象沿织物表面传播，而不是进入周围空间。可以修改超材料织物的几何形状，以引导无线电波的传播并实现用于能量传输、传感和信号处理的无源设备。

根据本公开的实施方式，本公开的超材料织物可以使能够在穿戴在用户身体上或植入用户身体内的设备之间高效且安全地传输无线信号。基于超材料织物的此类设备的无线网络可用于安全地传输信息或将功率传输到用户身体周围的设备。通过经由几何和环境变量的改变实现其无线传输特性的改变，超材料织物还可以用作感测元件。

根据一些实施方式，被称为超材料织物的这些织物图案可以将传输效率提高许多数量级，并且能够将功率无线传输到用户身体上的传感器。赋予衣服如此空前的电磁性能可能为可穿戴技术带来新的机遇。

根据本公开的实施方式，提供了一种超材料织物，所述超材料织物包括被切成梳形形状的一片超材料织物，所述一片超材料织物包括长的基部，所述基部具有沿所述基部并从所述基部延伸的多个超材料织物齿，其中每两个相邻的齿之间存在间隙。

所述超材料织物被配置为使无线电表面等离激元波能够沿所述超材料织物传播以提供无线传感器网络。

所述超材料织物被配置为通过改变所述超材料织物齿的数量以及改变所述超材料织物齿的尺寸和改变所述间隙的尺寸来控制所述无线电表面等离激元波的高度。

根据一些实施方式，提供了一种用于提供无线传感器网络的超材料织物。所述超材料织物可以包括被切成梳形形状的一片超材料织物，所述一片超材料织物包括长的基部，所述基部具有沿所述基部并从所述基部延伸的多个超材料织物齿，其中每两个相邻的齿之间存在间隙。根据一些实施方式，超材料织物可以被配置为使无线电表面等离激元波能够沿所述超材料织物传播以提供无线传感器网络，所述无线电表面等离激元波包括高度。在一些实施方式中，超材料织物可以被配置为通过改变所述超材料织物齿的数量以及改变所述超材料织物齿的尺寸和改变所述间隙的尺寸来控制所述无线电表面等离激元波的高度。

可选地，使无线电表面等离激元能够沿所述梳形超材料织物传播的最大齿数可以为100。

可选地，使无线电表面等离激元能够沿所述梳形超材料织物传播的最小齿数可以为2。

可选地，梳形超材料织物可以被配置为被实现为衣服的一部分。

可选地，梳形超材料织物可以包括附接到所述梳形超材料织物的非导电层。

可选地，梳形超材料织物可以还包括附接到所述非导电层并位于所述非导电层下方的保护性导电层。

可选地，附接到所述梳形超材料织物的所述非导电层阻止无线电表面等离激元向衣服穿着者体内的传播。

可选地，所述非导电层是织物。

可选地，所述梳形超材料织物可以被配置为形成环形谐振器。

可选地，所述梳形超材料织物可以被配置为形成用于传输数据的天线。

可选地，所述梳形超材料织物可以被配置为形成用于将功率传输到一个以上位置的功率分配器。

可选地，即使在低dB传输下，无线电表面等离激元波也可能具有很小的信号损失或没有信号损失。

根据一些实施方式，提供了一种用于设计用于提供无线传感器网络的超材料织物的方法。该方法可以包括提供超材料织物，其包括：被切成梳形形状的一片超材料织物，所述一片超材料织物包括长的基部，所述基部具有沿所述基部并从所述基部延伸的多个超材料织物齿，其中每两个相邻的齿之间存在间隙；通过无线电表面等离激元波沿所述超材料织物传播提供无线传感器网络；通过改变所述超材料织物齿的数量以及改变所述超材料织物齿的尺寸和改变超材料织物间隙的尺寸来控制所述无线电表面等离激元波的高度。

根据本公开的实施方式，提供了另一种用于设计用于提供无线传感器网络的超材料织物的方法。该方法可以包括提供超材料织物，其包括：被切成梳形形状的一片超材料织物，所述一片超材料织物包括长的基部，所述基部具有沿所述基部并从所述基部延伸的多个超材料织物齿，其中每两个相邻的齿之间存在间隙，进一步其中所述梳形超材料织物可包括附接到所述梳形超材料织物的非导电层；将间隙的宽度增加的所述多个超材料织物齿中的每一个的宽度值设置为：d＝0.2λ

可选地，设置所述多个超材料织物齿中的每一个的所述宽度的值包括将所述值设置为b＝0.75d。可选地，设置所述梳形基部的所述宽度的值包括将所述值设置为a＝0.5d。

可选地，设置间隙的宽度增加的所述多个超材料织物齿中的每一个的宽度值包括根据与d＝0.2λ

附图说明

图1A是根据本公开的实施方式的通过限制在衣服上的无线电波互连的传感器网络的示意图；

图1B是根据本公开的实施方式的超材料织物的结构的示意图；

图1C是根据本公开的实施方式的在超材料织物(上图)，无图案导电织物(中图)和非导电织物(下图)上方的偶极子发射的电场分布|Ez|的仿真的示意图，该织物被放置在以空气组织半空间为模型的身体上；

图1D是根据本公开的实施方式的在“yz”平面上的归一化场分布和沿着虚线的场曲线的示意图；

图1E是根据本公开的实施方式的超材料结构的分散曲线的示意图；

图1F是根据本公开的实施方式的归一化功率流(坡印亭(Poynting)矢量的峰值)与距发射器靠近织物(限制)和在自由空间(辐射)中的距离的比较的示意图；

图2A至图2C是根据本公开的实施方式的分别由超材料织物构造的设备的示意图：(A)功率分配器，(B)天线和(C)环形谐振器；

图2D至图2F是根据本公开的实施方式的在偶极探头的位置1处的连续波激励期间在织物表面上方的电场的法向分量的仿真(左)和近场测量(右)的示意图；

图2G至图2I是根据本公开的实施方式的在身体上的标记位置上方5mm处放置的天线之间的传输频谱的示意图；

图3A是根据本公开的实施方式的同时将数据发送到智能电话(集线器)的两个蓝牙节点(传感器1和传感器2)的无线网络的示意图；

图3B是根据本公开的实施方式的在计算人体模型中的无线传输的全波仿真的示意图；

图3C是根据本公开的实施方式的在生理活动期间智能电话从每个传感器记录的相对信号强度指示符(RSSI)的示意图；

图3D是根据本公开的实施方式的在每个活动之间平均的RSSI的比较的示意图；

图3E是根据本公开的实施方式的无线传输(蓝牙)等待时间作为发射功率的函数的示意图；

图3F是根据本公开的实施方式的累积传输时间作为分组的数量的函数的示意图；

图3G是根据本公开的实施方式的来自传感器的信号强度作为距智能电话的位置的距离的函数的示意图；

图4A是根据本公开的实施方式的由沿着超材料织物套筒引导的无线电波无线供电的腕戴式脉冲传感器的图像的示意图；

图4B是根据本公开的实施方式的超材料织物上的能量收集单元的图像的示意图及其电路示意图；

图4C是根据本公开的实施方式的手指接近距超材料织物的距离d处的非接触感测的示意图；

图4D是根据本公开的实施方式的由无线传感器进行的脉冲检测和LED指示的示意图；

图4E是根据本公开的实施方式的手指接近超材料织物的感测的示意图；

图5A(1)是根据本公开的实施方式的超材料织物的示意图，其指示在超材料织物设计期间可以控制的各种尺寸；

图5A(2)是描绘根据本公开的实施方式的用于制造超材料织物的方法的示意流程图；

图5B至图5E是根据本公开的实施方式的色散曲线分别随着参数a、参数b、参数d和参数h改变时的示意图；

图6A是根据本公开的实施方式的超材料织物的电场分布的示意图，其中发射器(水平电偶极子，长度为5mm)被放置在表面上方的变化距离d处；

图6B是根据本公开的实施方式的传递到表面模式和辐射模式的功率的一部分作为d的函数的示意图；

图7A是根据本公开的实施方式的对于具有不同的曲率半径R的U形在2.4GHz的电场的全波仿真的示意图；

图7B是根据本公开的实施方式的无线能量收集器(为红色LED供电)的照片，该能量收集器被放置在平坦且折叠的超材料织物上；

图7C是根据本公开的实施方式的在与激励点对称的结构的右下角处的归一化坡印亭矢量(峰值)作为1＝R的函数的示意图；

图8A至图8C是根据本公开的实施方式的透射频谱|S

图9A至图9C是根据本公开的实施方式的分别在传播方向x，横向y和垂直方向z上的超材料织物的导电结构中的间断的示意图；

图9D至图9F是根据本公开的实施方式电场的正常分量|Ez|的幅度的示意图，其分别针对不同间隙宽度d1，d2和d3；

图9G至图9I是根据本公开的实施方式的信号传输|S

图10A是根据本公开的实施方式的蓝牙信号在两个织物之间的间隙上传播的示意图；

图10B是根据本公开的实施方式的当织物之间的间隙距离增加时从放置在上织物附近的无线接收器测量的RSSI的示意图；

图10C是根据本公开的实施方式的在用剪刀切割的织物上的蓝牙信号传播的示意图；

图10D是根据本公开的实施方式的RSSI作为切口数量的函数的示意图；

图11A至图11B是根据本公开的实施方式的放置在没有图7A中的超材料织物的(具有辐射)和(具有)表面的计算人体模型的前部(腹部)上的偶极子发射器的瞬时电场幅度和时间平均功率密度S(对数标度)的示意图；

图11C是根据本公开的实施方式的沿着图11A中的白点线向身体前方辐射的功率密度的示意图；

图12A是根据本公开的实施方式的LED电流作为在放置到超材料织物上方的天线的输入功率为100mW的频率的函数的示意图；

图12B是根据本公开的实施方式的无线功率传输效率的示意图，该无线功率传输效率被测量为作为输入功率的函数的传递到LED的功率(包括非线性整流器损耗)；

图13A是根据本公开的实施方式的与定制无线能量收集单元集成的传感器节点的背面的图像的示意图；

图13B是根据本公开的实施方式的当第二传感器节点被放置在用户的肩膀上时，放置在用户的手腕上的传感器节点的图像的示意图；以及

图13C是根据本公开的实施方式的智能电话应用的屏幕截图的示意图，该智能电话应用通过蓝牙信号沿超材料织物的传播来显示从肩膀和手腕上的无线传感器节点(在应用上分别示为节点4和节点5)接收的数据。

通过以下对本公开的示例实施方式的更具体描述，如在附图中所示，前述内容将容易理解，在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记指代相同的部分。这些附图不一定是按比例绘制的；相反，重点放在说明本公开的实施方式上。

具体实施方式

可以在称为表面等离激元的局部激发中将光频率的电磁波限制在金属表面上。由于这些模式沿着金属材料的表面共形传播，并通过逝场与附近的物体强烈相互作用，因此它们被广泛用作光子器件中的互连元件。尽管表面等离激元在无线电频率下不存在于散装材料中，但是超材料中的概念可以通过构造导电表面来设计这些模式。

根据本公开的实施方式，构造有导电织物的衣服可以在无线电通信频率下支持表面等离激元样的模式，从而提供模制用户周围的无线电波传播的平台。通过将无线信号物理地定位到用户的身体上，这样的超材料织物可以使无线传感器和设备的个人网络高效，不受干扰并固有地安全。

然而，现有的超材料设计尚未设计用于人体，其复杂的电磁环境对组织损失和与附近无线设备的相互作用提出了挑战。

根据本公开，克服了这些挑战，以实现传感器网络与无线电表面等离激元的有效且安全的互连。与常规的无线通信系统相反，基于当前公开的超材料织物的网络通过无线电波表面等离激元互连，该表面等离激元沿着在衣服上图案化的结构传播。这些网络不受辐射传输固有的平方反比损失的影响，并且需要与用户身体物理接近，以便通过逝场介导的相互作用来发射和接收信号。由于与此类超常材料集成在一起的衣服可能完全由织物组成，并且可能不包含有源电子组件，因此它们对于日常穿着可能很结实，并且可以在不损害衣服或其信号传输能力的情况下进行洗涤。

根据本公开的实施方式，以这种方式互连的网络将能源效率提高了多个数量级，并且满足了无线功率传输的要求，从而能够将功率分配给用户身上的无电池传感器。

现在参考图1A，其是通过限制在衣服上的无线电波互连的传感器网络的示意图。网络中的设备可以通过表面波的逝场交换能量和信息，而不是辐射进入周围空间来交换能量和信息。根据图1A，基于超材料织物的网络可以通过无线电波表面等离激元相互连接，这些表面等离激元沿着在用户穿着的衣服上图案化的结构传播。在一些实施方式中，网络可以包括智能衣服集线器，以实现沿着图1A所示的网络的多个设备或传感器的连接。

现在参考图1B，其是根据本公开的实施方式的超材料织物的结构的示意图。根据一些实施方式，超材料织物包括被切割成梳形的超材料织物片。梳形超材料织物110可包括长的基部120，该基部具有沿基部120延伸并从基部120延伸的多个齿122，其中在每两个相邻的齿122之间存在间隙，例如间隙124。

根据一些实施方式，梳形超材料织物110可包括附接到梳形超材料织物110的非导电层112，例如衣服。非导电层112通常位于梳形超材料织物110下方。

根据一些实施方式，梳形超材料织物110可进一步包括附接到非导电层112并位于非导电层112下方的保护性导电层114。

包括至少三层形成为梳齿的超材料层，齿和齿之间的间隙具有一定的尺寸和彼此之间的距离，并添加非导电层以及保护层的本公开的超材料织物的构造可以确保信号不会进入穿衣者的身体，也不会在太空中辐射，而是确保信号设计为沿着梳形超材料织物传播而几乎没有信号损失。

根据一些实施方式，使得能够使无线电表面等离激元沿着梳形超材料织物传播的最小齿数可以是两个，即，为了提供足够的无线传输，需要至少两个齿或两个单元，而能够使无线电表面等离激元沿着梳形超材料传播的最大齿数可能会受到超材料织物的总长度和电导率的限制，该长度和电导率可能约为100齿或单元。

现在参考图1C，其是根据本公开的实施方式的超材料织物(上图)，无图案的导电织物(中图)和非导电织物(下图)上方的偶极子发射的电场分布|Ez|的仿真示意图，将织物放置在通过空气组织半空间建模的身体上。数值仿真示出，超短材料织物能够在短距离通信频率(2.4--2.5GHz工业，科学和医学(ISM)频段，包括蓝牙和Wi-Fi协议)上限制偶极子发射器的电磁辐射。图1C示出了将发射器放置在结构上方5mm处激发表面等离激元，所述表面等离激元以高效率和最小的辐射向周围空间传播到接收器。

现在参考图1D，其是根据本公开的实施方式的在“yz”平面上的归一化场分布和沿着虚线的场曲线的示意图。“背面”表示超材料织物的穿着者的背面，而“正面”表示超材料织物的穿着者的正面。显然，信号越靠近位于穿着者正面的超材料织物，其场分布和信号强度就越鬲。

在没有结构化的导电织物中不存在这些表面模式，在这种情况下，在辐射模式下发生传输，效率降低了大约四个数量级。可以以最小的辐射损耗和反射率折叠织物(对于曲率半径为1.25mm的U形转弯，其反射率＜5％)。

现在参考图1E，其是根据本公开的实施方式的超材料结构的分散曲线的示意图。灰色阴影区域示出2.4--2.5GHz ISM频段。

图1F是根据本公开的实施方式的归一化功率流(坡印亭矢量的峰值)与距发射器靠近织物(受限)的距离和在自由空间(辐射)中的比较的示意图。

模式的表面等离激元样性质通过指数场衰减(图1E)和渐近色散曲线(图1F)证实，其特性可以通过简单地调整结构的几何形状来控制(图1B)。传播损耗由织物的电导率决定，对于中等电导率＞2×10

现在参考图2A至图2C，其是根据本公开的实施方式的由超材料织物构造的设备的示意图：(A)功率分配器，(B)天线和(C)环形谐振器。超材料织物为构建无线电波电路提供了通用平台，该无线电波电路可操纵波在人体周围的传播。这种电路的三个基本构建块可以是：功率分配器(图1A)，天线(图1B)和环形谐振器(图1C)。可以通过激光切割导电织物(Cu/Ni聚酯)并将图案附着到棉质聚酯运动衫或衣服的任何其他片段上来制造设备。功率分配器设备(图2A)可以在两个输出端口之间平均分割输入信号，从而可以分配和组合来自多个设备的信号。

现在参考图2D至图2F，其是用偶极子探针在位置1处连续波激发期间织物表面上方电场的法向分量的仿真(左)和近场测量(右)的示意图。比例尺为5cm。进一步参考图2G至图2I，其是根据本公开的实施方式的在身体上的标记位置上方5mm处放置的天线之间的传输频谱的示意图。(B)中的白色箭头表示探头位于织物上方10cm处以测量辐射场。

通过数字仿真与近场测量(图2D)以及人体上的端口测量(图2G)之间的紧密一致性来验证设备的功能。天线设备(在图2B中)可以将来自受限波的输入信号作为辐射发出到周围空间中以用于短距离传输，例如从用户的肩膀到耳戴式设备。仿真和场映射示出了谐振天线模式的激励(图2E)，以及来自天线上方约10cm处的接收器进行的测量表明在2.4--2.5GHz频带内的辐射(图2H)。最后，环形谐振器(在图2C中)可能会显示一系列谐振，这些谐振可用于过滤信号，检测机械应变并增强与附近物体的相互作用。仿真和场映射揭示了在2.5GHz处级m＝7的回音壁模式(图2F)，其对应于两个直径相对的点(图2I)之间的透射谱中的急剧共振下降。身体上和身体外的测量之间的紧密一致性表明了对环境影响的鲁棒性。由这些基本设备构建的电路可以执行复杂的功能，以用于能量传输，传感和信号处理。

现在参考图3A，其是两个蓝牙节点(传感器1和传感器2)同时将数据传输到智能电话(集线器)的无线网络的示意图。图3A示出了超材料织物增强在穿戴在身体上的设备之间的无线信号传输的能力。图3A示出了两个传感器节点的网络，该传感器节点包括附接到用户的左肩和下背部的商业蓝牙模块以及佩戴在用户的腹部上的中央集线器(智能电话)。在计算人体模型中发射的传感器的全波仿真示出能量限制在织物表面上，并围绕用户身体的曲率传播。

现在参考图3B，其是在计算人体模型中无线传输的全波仿真的示意图。虚线示出切割平面，而白点示出发射传感器。与图3A相反，由于用户的身体的辐射损失和阻碍，在没有超材料织物的情况下进行的辐射通信导致效率降低了大约三个数量级。

现在参考图3C，其是根据本公开的实施方式的由智能电话在生理活动期间从每个传感器记录的相对信号强度指示符(RSSI)的示意图。进一步参考图3D，其是在每个活动中平均比较RSSI的示意图，而误差线示出s.d.(n＝3个对象)，参考图3E，其是无线传输(蓝牙)等待时间作为发射功率的函数的示意图，而误差线示出了s.d.(n＝60个分组)，并参考图3F，其是根据本公开的实施方式的累积传输时间作为分组的数量的函数的示意图。

为了通过实验测试该效果的鲁棒性，在生理活动期间，使用智能电话对受试者进行了信号强度的实时监控。通过重复没有超材料织物的活动方案进行控制。图3C示出了对于两个设备，在站立、行走和跑步的5分钟持续时间内来自一个受试者的相对信号强度指示器(RSSI)被提高了约

现在参考图3G，其是根据本公开的实施方式的来自传感器的信号强度作为距智能电话的位置的距离的函数的示意图。数据安全性对于在人体网络上传输健康和其他个人数据至关重要。图3G示出了来自传感器的信号强度的变化作为距用户腹部的距离的函数。由于人体传播的阻碍，辐射系统的信号强度曲线在距离肩膀不到20cm的地方和距离后传感器不到1m处表现出强度的增加，随后随着距离的增加辐射衰减。相比之下，基于无线电波限制的网络的特征在于远离人体的指数衰减，导致距人体2.5m处的信号强度降低了约40dB。能量在人体附近的这种定位在通信的物理层提供了安全性，这是对基于加密或协议的方法的补充。另外，无线电波限制可以抑制相邻网络之间的干扰并消除对频谱共享协议的需要。这种不受干扰的个人网络可以使个人充分利用整个无线电频带，而不会降低附近设备的性能。

现在参考图4A，其是腕带脉冲传感器的图像的示意图，该腕带脉冲传感器由沿超材料织物套筒引导的无线电波无线供电。脉冲传感器包括能量收集单元，压力传感器和用于视觉指示的LED。压力传感器放置在手腕上的织物下方。将无线电波限制在超材料织物上还可以将无线电力传输到许多类型的低功率传感器。作为说明性示例，通过沿着用户手臂的长度沿长袖毛衣引导能量，在用户的手腕上无线供电了脉冲指示器。

现在参考图4B，其是超材料织物上的能量收集单元的图像的示意图及其电路示意图。压力传感器(未示出)在电路原理图中由可变电阻器表示。该传感器设备使用与电阻式压力传感器耦合并由能量收集电路供电的发光二极管(LED)提供对象的心跳的视觉指示。

现在参考图4C，其是根据本公开的实施方式的在距超材料织物的距离d处的手指接近的非接触感测的示意图。也就是说，根据图4C，即使在用户与传感器/超材料织物之间没有实际接触时，也可以执行感测。

现在参考图4D，其是无线传感器的脉冲检测和LED指示的示意图。示出记录的心电图以进行比较。根据图4D，将发射器放在用户的肩膀上，并将输出功率设置为

现在参考图4E，其是从超材料织物感测手指接近的示意图。LED光强度通过波导(插图)的传输效率与手指距离的依赖关系进行调制。表面波与附近物体的相互作用还提供了类似于光学等离激元传感器的传感能力。作为原理的证明，图4E示出了在LED的无线供电期间食指靠近超材料织物(小于2cm)的放置导致LED亮度的视觉上可检测的降低。该降低可以归因于当场与生物组织相互作用时发生的透射率下降(图4E插图)，该下降表现出高的介电常数和在射频下的吸收。通过调整超材料结构的几何形状以改变表面等离激元的定位，可以抑制这种敏感性以提高对环境影响的鲁棒性，或者可以进一步增强在手势感测，接近检测和生理监测中的应用。

现在参考图5A(1)，其是根据本公开的实施方式的超材料织物的示意图，其指示在超材料织物设计期间可以控制的各种尺寸。根据一些实施方式，“a”表示梳形基部120的宽度(图1B)，“h”表示每个梳形齿122的长度，“b”表示每个齿122的宽度，并且“d”表示每个齿的宽度(′b′)加上间隙124的宽度，每个间隙124位于两个相邻的齿122之间。

现在参考图5A(2)，其是描绘了根据本公开实施方式的用于设计并相应地制造超材料织物的方法的示意性流程图。根据一些实施方式，检查了超材料在结合到身体表面时支持射频波所需的条件。

可以通过确定结构的几何参数来设计超材料织物，以便在设计频率f0下以期望的波数β

根据本公开的一些实施方式，设计过程如下进行：

(1)将超材料织物的梳形结构的每个齿或单元的长度设置为：d＝0.2λ

(2)将梳形结构的参数设置为a＝0.5d和b＝0.75d。这些选择导致梳形结构具有大的特征尺寸，并且易于制造，但是在其他方面则是任意的，因为仿真示出该结构对′a′和′b′不敏感。但是，可以通过进行大范围的′h′调整β

(3)将参数h初始化为：h

(4)将底部非导电织物层的宽度设置为：w＝a+h。较大的w选择范围会更大程度地抑制耦合到人体的信号，而较小的w选择范围则会最大程度地减少所需的导电织物的面积。

(5)在给定超材料织物的厚度t

尽管在其他实施方式中，′d′，′a′，′b′的初始值和′h′可以是不同的，但是所有上述步骤都需要执行，以便获得可以为其计算β

据此，提供了根据本公开的一些实施方式的用于设计和相应地制造超材料织物的方法的详细说明。使用空气与身体之间的界面模型，其由半空间组成，该半空间在上部区域为自由空间(z＞0)，并填充有在下部区域具有相对介电常数为ε

(1)

除了支持表面模式外，超材料还必须能够与附近的传感器和设备进行交互而无需物理接触。可以通过将电场扩展为正向(+)和反向(-)传播表面模式E(r，t)＝(a

当电流密度为j(r)的射频源放置在身体上时，模式被振幅激发

(2)

由于e±(r)在z方向上逐渐消失，因此在与表面上方的衰减长度α

超材料可以通过其内置天线产生的电流密度j(r)与标准无线设备进行交互，而无需进行任何修改，尽管应注意的是，激励并不取决于常规性能指标，例如方向性和增益。可以通过以r

基于这些物理考虑，超材料必须满足以下严格要求才能将无线网络与表面等离激元样模式互连：(1)它必须支持表面等离激元色散关系，其截止频率高于2.4-2.5GHz工业，科学和医学(ISM)频带，(2)必须对下部区域的场进行筛选，以使α

该超材料结构由在顶层上的平面梳形图案(先前用作等离激元超材料)，中间织物层和包括未图案化金属导体的底层组成。设计程序会产生几何参数，从而使组合结构支持满足无线网络要求的表面等离激元扩散，并具有整体尺寸(2.5cm宽度，8mm单元长度)，可通过直接附接市场上可买到的低成本导电织物轻松与大多数类型的衣服集成。

图5A(1)中所示的超材料可以支持以下形式的表面等离激元色散：

(i)

其中ε

使用无阻尼的德鲁德模型，可以将ε

可以通过确定结构的几何参数来设计超材料织物，以在设计频率f

根据一些实施方式，用于设计并相应地制造超材料织物的方法500可以包括以下操作。

在操作510中，确定参数β

在操作512中，基于(v)λ

根据操作518，将参数h初始化为(vi)h

根据操作520，针对给定和计算的参数仿真结构设计。

在操作526中，导出色散曲线并读取波数，给定织物的厚度tf，通过本征模式求解器获得结构的色散曲线，本征模式求解器在0.5h

如果β＜β

在一些实施方式中，在操作530中，选出给出期望波数的h，并且在操作532中，获得所有设计参数。根据本公开的实施方式，设计的超材料织物支持图1E所示的色散曲线并且拟合表面等离激元模型，其中参数ε1＝4和ω

根据一些实施方式，已经实现了数值仿真。例如，电磁仿真是使用CST MicrowaveStudio(达索系统)进行的。使用偶极激发的有限差分时域方法计算场分布。为材料分配了织物的特性ε

根据图5B至图5E，其是分别随参数a、b、d和h变化的色散曲线。在设计范围内，除了h以外，上述方程式(i)的色散曲线对几何参数不敏感。

根据一些实施方式，超材料织物可以由导电织物图案制成，其由粘合的Cu/Ni聚酯织物片(导电织物带86750，Laird科技；导电无纺布4770，荷兰屏蔽系统)被激光切割(通过环球激光系统，VLS 2.30)。在一些实施方式中，将图案附着在棉-涤混纺运动衫上以进行无线电波设备和无线通信实验，并在棉质毛衣上进行无线供电实验。

根据一些实施方式，使用场映射实验测量织物上方的射频场以表征表面模式。在探针是在织物表面上方5mm处以2mm的步长扫描时，通过频谱分析仪测量使用了来自探针的电场探针的实验。使用由信号发生器(835型，Berkeley Nucleonics)驱动的，位于输入位置上方2mm处，长度为1cm的偶极子激发表面模式。

根据一些实施方式，使用同轴电缆(SMA-SMA，50Ω，Amphenol)，在连接到矢量网络分析仪(PicoVNA 106，Pico科技)的两个相同的1英寸短天线(2.4GHz，RN-SMA-S-RP，Microchip科技)之间，透射率被测量为|S

根据一些实施方式，使用蓝牙低功耗(BLE)协议执行无线通信。传感器节点使用配置有集成天线，硬币电池适配器(BA600，Laird科技)和3V锂电池(CR1632，Energizer)的单模蓝牙v4.0模块(BL600，Laird科技)。传感器传输到由运行连接应用(nRF Connect，Nordic半导体)的安卓智能电话组成的中央集线器，该应用记录了每个传感器的信号强度。使用从连接到无线连接到传感器节点的集线器设备(BL620，Laird科技)的便携式计算机运行的连接测试软件(UwTerminalX，Laird科技)执行延迟测量。

根据一些实施方式，无线电力传输使用放置在织物表面上的1英寸短天线(RN-SMA-S-RP，Microchip科技)进行电力传输。天线由直接从信号发生器(SMB100A，Rohde和Schwarz)以20dBm(100mW)输入的2.4GHz信号驱动。使用商业化制造的(0.1mm厚的聚酰亚胺，0.5oz Cu，金凤凰印刷电路板)集成了环形天线和互连迹线的柔性印刷电路板(PCB)来实现无线能量收集单元。通过微焊接(NAE-2A，JBC)以下组件将整流器组装在刚性PCB(R4-TG130基板，1oz Ag，Interhorizon Corporation Pte)上：(1)10pF电容器(Johanson科技，250R05L100GV4T)，(2)10nF电容器(Murata电子，GRM0335C1HR20WA01D)，(3)0.2pF电容器(Murata电子，GRM0335C1ER50BA01D)和(4)肖特基二极管(Skyworks，SMS7621-060)。通过微焊接将PCB与红色LED芯片(Lumex，SML-LX0603SRWfTR)集成在一起。压力传感器通过铜线与LED并联连接，以产生无线脉冲传感器设备。

根据一些实施方式，对年龄在20岁至40岁的六名健康受试者(三名女性和三名男性)进行了对身体上的无线传感器网络的评估。受试者穿着运动衬衫，该衬衫集成了超材料织物，背部和肩膀上附接有传感器，智能电话使用腰带戴在腹部上方的衬衫上。在5分钟的试验中，智能电话记录了室内生理活动(站立，行走和跑步)期间的接收信号强度，每次试验之间有2分钟的休息时间。通过用无图案的运动衫重复活动方案进行对照。由一名健康志愿者对无线传感器进行了评估。让受试者坐在椅子上放松，同时将定制的脉冲传感器附接到手腕和手臂上的电极(红点电极，3M)。天线固定在长袖毛衣上，并在肩部集成超材料织物，并通过连续波信号进行驱动。为了定量，通过使用连接到Si放大器检测器(PDA26A-EC，Thorlabs)的光纤测量来自脉冲传感器的光强度。使用定制放大器同时从电极获得ECG测量值。使用数字示波器(PicoScope 6402D，Pico科技)同时记录ECG和光学数据。

根据一些实施方式，如下制造压力传感器：由聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体基础剂和固化剂(Sylgard 184，Dow Corning)的20：1混合物制造微结构金字塔膜。使用厚度为12μm的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)膜作为基板。使用SpeedMixer(FlackTek)将PDMS混合物在2，500r.p.m下混合1分钟，将其转移到用十八烷基三氯硅烷预处理的硅晶片模具上。将混合物以1,000r.p.m旋涂在模具上持续30秒。将经过等离子体处理的PET膜基板放置在脱气的PDMS膜顶部上，并热固化4小时。对PET基板上的模制的PDMS膜进行等离子处理，并涂上PEDOT：PSS(CLEVIOS PH1000；Heraues)薄层，将其与5wt％DMSO和0.1wt％Zonyl FS-300预混合。在使用前，将导电层在70℃的烤箱中干燥30分钟。将压力传感器放置在蚀刻的铜电极的顶部并密封。

根据一些实施方式，制造如下无线供电的无电池的蓝牙传感器：传感器节点由具有集成电源管理组件(S6AE103A)的商用BLE传感器(CYALKIT-E02)以及温度和湿度传感器(Si7020-A20)制成。无线能量收集单元中整流器的输出端子连接到传感器背面的电源管理组件的输入。传感器通过能量收集单元的天线朝下附接到超材料织物上，并配置为在通电时立即通过BLE传输传感器数据。数据是使用智能电话无线接收并使用应用显示的。

现在参考图6A，其是根据本公开的实施方式的超材料织物的电场曲线的示意图，其中发射器(水平电偶极子，长度为5mm)被放置在表面上方的变化距离d处，参考图6B，其是根据本公开的实施方式的，传输到表面模式和辐射模式的功率的比例作为“d”的函数的示意图。相对于辐射模式，通过优先耦合到表面15mm内的表面模式，传输到表面模式的能量比例由偶极子到超材料织物的距离控制。

根据图7A，其是具有变化的曲率半径R的U形在2.4GHz处的电场的全波仿真的示意图，该结构使用放置在超材料织物上方2mm的偶极子在左下点被激发。表面波的传播对于折叠和弯曲具有很高的鲁棒性，并产生最小的辐射损耗和曲率反射(对于曲率半径为1.25mm的U形弯＜5％)。

现在参考图7B，其是根据本公开的实施方式的无线能量收集器(为红色LED供电)的照片，该无线能量收集器放置在平坦且折叠的超材料织物上，参考图7C，其是根据本公开的实施方式的在与激发点对称的结构的右下角处归一化坡印亭矢量(峰值)作为1＝R的函数的示意图。发射器直接放置在织物上方，并且输出功率设置为20dBm。

图8A至图8C是根据本公开的实施方式的透射频谱|S

现在参考图9A至图9C，其是根据本公开的实施方式的分别在传播方向x，横向y和垂直方向z上的超材料织物的导电结构中的间断的示意图。图9D至图9F是根据本公开的实施方式电场的正常分量|Ez|的幅度的示意图，其分别针对不同间隙宽度d1、d2和d3。发射器(接收器)是水平偶极子，其放置在表面上方5mm处标记为1(标记为2)的位置处。并且图9G至图9I是根据本公开的实施方式的信号传输|S21|的变化分别作为间隙宽度d1＝0、d2＝6和d3＝2的函数的示意图。

与常规的导电织物不同，超材料织物上的信号传播对于下面的导电结构中的不连续性是鲁棒的。图9A至图9I所示的仿真示出了在传播方向(x)上跨越1cm的间隙的传输效率大于-7dB；对于1cm的间隙，这些结构在横向(y)或垂直(z)方向上也可以是不连续的，其中传输效率分别大于-3dB和-10dB。

图10A是根据本公开的实施方式的蓝牙信号在两个织物之间的间隙上传播的示意图。图10B是根据本公开的实施方式的当织物之间的间隙距离增加时从放置在上织物附近的无线接收器测量的RSSI的示意图。图10C是根据本公开的实施方式的在用剪刀切割的织物上的蓝牙信号传播的示意图，并且图10D是RSSI作为切口数量的函数的示意图。红色条示出在没有超材料织物的情况下测量的RSSI。

沿着超材料织物的无线蓝牙传输的实验测量值示出在多个位置处切割织物时，垂直间隙的传输效率相当，并且信号强度没有可检测到的下降(参考图10A、图10C)。沿着超材料织物的非接触传输允许信号有效地在附近的结构之间耦合，并从一件衣服传播到另一件衣服。

现在参考图11A至图l1b，其是根据本公开的实施方式的放置在没有图7A中的超材料织物的(具有辐射)和(具有)表面的计算人体模型的前部(腹部)上的偶极子发射器的瞬时电场幅度和时间平均功率密度S(对数标度)的示意图。在两种配置中发射功率相同。白色实线示出功率密度曲线S＝S

现在参考图11C，图11C是根据本公开的实施方式的沿着图11A中的白点线向身体前方辐射的功率密度的示意图。实线示出∞1/d

数据安全性对于身体网络内健康和其他个人数据的传输至关重要。然而，传统的无线系统容易被窃听，因为从人体上的传感器节点到另一个传感器节点的信号传输依赖于向周围空间的辐射。由于身体的阻碍，可以截获辐射信号的范围通常比设备之间的间隔距离大得多。作为说明性示例，我们对从腹部的发射节点到背部的接收器节点的辐射传播进行了全波仿真(图11B)。接收器处的场强度与受试者前方～22m处的场强度相同(图11C)；在不影响可穿戴设备之间的通信的情况下，无法通过功率控制来减小此窃听范围。相反，超材料织物将无线信号定位在身体的10cm内，从而能够在身体周围高效传输，而不会辐射到周围空间中(图11B)。这种物理层安全性可以补充加密和基于协议的方法，因为它不需要对无线设备进行额外的计算或修改。

现在参考图12A，其是根据本公开的实施方式的LED电流作为在放置到超材料织物上方的天线的输入功率为100mW的频率的函数的示意图，并且参考图12B，其是根据本公开的实施方式的无线功率传输效率的示意图，该无线功率传输效率被测量为作为输入功率的函数的传递到LED的功率(包括非线性整流器损耗)。无线电表面等离激元在超材料织物上的有效传播使无线电力能够传输到许多类型的低功率传感器。作为说明性示例，通过沿着手臂的长度沿着长袖毛衣引导能量，在手腕上对脉冲指示器无线供电(图4A)。通电时，脉冲指示器提供受试者的心跳的视觉指示，因为发光二极管(LED)的强度由可感应用户手腕上脉动的电阻式压力传感器调制。将发射器放置在肩膀上，输出功率设置为20dBm(100mW，等于WiFi发射器)。在无线功率传输期间监视LED亮度示出脉冲对应于ECG记录的周期性心脏活动(图4D)。估计该配置中的传输效率相对于环形天线估计为10.5％，包括由于整流器引起的损耗，相对于LED估计为3.5％(图12A至图12B)。这些功率水平满足许多低功率传感器的要求，包括温度，pH值和其他生理指标，其消耗不到1mW。

现在参考图13A，其是根据本公开的实施方式的与定制无线能量收集单元集成的传感器节点的背面的图像的示意图。能量收集单元的输出直接连接到蓝牙模块的电源管理电路。进一步参考图13B，其是根据本公开的实施方式的当第二传感器节点被放置在用户的肩膀上时，放置在用户的手腕上的传感器节点的图像的示意图。参考图13C，其是根据本公开的实施方式的智能电话应用的屏幕截图的示意图，该智能电话应用通过蓝牙信号沿超材料织物的传播来显示从肩膀和手腕上的无线传感器节点(在应用上分别示为节点4和节点5)接收的数据。

根据一些实施方式，期望证明无线的，无电池的传感器可以在当前公开的平台内互连，因此，无线供电的蓝牙传感器节点可以沿着超材料织物放置在用户的肩膀和手腕上。传感器电路由定制的无线能量收集单元供电，并集成了温度传感器，湿度传感器和蓝牙模块，该模块将数据无线传输到放置在人体附近的智能电话。触摸传感器会导致温度和湿度升高，这可由相应的传感器检测到并由智能电话上的应用显示。这种无线传感器网络的分布式和同步功能可用于监视临床上重要的生理信号，例如脉搏压力传播和电活动。

表面波与附近物体的相互作用还提供类似于光学等离子体传感器的感测能力。可以创建本公开的超材料织物对于人机交互的潜力，其是交互式智能电话应用，当检测到蓝牙RSSI的突然变化时，该智能电话应用会改变显示图像。当智能电话放置在正在传播蓝牙信号的超材料织物附近时，即使智能电话和手指没有与织物物理接触，也可以通过用食指触摸织物来改变显示图像。测量值示出由于与表面波的相互作用，织物与生物组织的接近性降低了传输率最多6dB。通过调整超材料结构的几何形状以修改表面等离激元的定位，可以抑制对生物组织接近性的敏感性，从而提高对环境影响的鲁棒性，或者进一步增强在手势感测，接近性检测和生理监测中的应用。根据本公开的导电织物可以具有在2*10

根据本公开，已经证明了通过将标准无线设备发射的无线电波限制在超材料织物上来实现无线传感器网络的节能且安全的互连。示出了与没有超材料织物的常规辐射网络相比，无线网络的传输效率可以增强三个数量级以上。此外，已经证明可以沿着手腕附近的袖子无线传输个人健康数据，并且蓝牙信号可以定位在距身体10cm以内的位置。此外，已经示出，本公开的超材料织物甚至可以跨导电结构中的不连续处支持无线信号的鲁棒传播，并且使得网络在无线电力传输和无线触摸感测方面具有新的能力。沿着本公开说明的结果突出了使用衣服来设计围绕身体的电磁传播的潜力，并且为将概念从微波和光子电路转换到用于无线感测，信号处理和能量传递的织物平台上提供了起点。本公开的超材料织物示出赋予运动装、医疗服和其他具有这种先进的电磁能力的衣服可以增强感知并与我们周围的世界互动的能力。

虽然已经参照本公开的示例实施方式具体示出和描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所涵盖的范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。