用于近场通信的方法和系统

1.本发明广泛地涉及用于近场通信的方法和系统。


背景技术：

2.在整个说明书中对现有技术的任何提及和/或讨论不应以任何方式被视为承认该现有技术是众所周知的或构成本领域公知常识的一部分。
3.皮肤/植入传感器网络可以为临床诊断、运动和人机界面中的应用提供人体生理信号的连续测量。对于可靠的长期监测，无线和无电池传感器特别理想。但目前依赖近场通信nfc的方法需要每个传感器和无线读出设备之间的距离很近(最多几厘米)，这严重限制了现有基于 nfc的系统的实际实施。其他传统的无线技术，如蓝牙，每个传感器节点都需要电池，并且它们的辐射特性导致容易被窃听。
4.因此，当前用于无线传感器互连的解决方案(i)要求每个传感器独立供电(例如使用电池)或(ii)具有非常有限的操作范围(几厘米)。
5.一种使用电子织物的替代方法，其中传感器或读出电路直接结合到衣服中，由于电子元件易受洗涤和日常磨损，并且不适合人体，因此具有缺点。
6.本发明的实施例试图解决上述问题中的至少一个。


技术实现要素：

7.根据本发明的第一方面，提供了一种用于近场通信系统的继电器，其包括：
8.柔性基板；和
9.电路，其设置在所述柔性基板上；
10.其中，所述电路包括：
11.集线器电感器图案，被配置为通过电磁感应接收和发送；
12.一个或多个终端电感器图案，其相对于所述柔性基板的表面与所述集线器电感器图案横向间隔开，并且被配置为通过电磁感应接收和发送；和
13.集线器电感器和一个或多个终端电感器之间的连接迹线。
14.根据本发明的第二方面，提供了一种近场通信系统，包括根据第一方面所述的一个或多个继电器。
15.根据本发明的第三方面，提供了一种导电管，包括：
16.能够绣在织物上的管状元件；和
17.填充到所述管状元件中的镓铟锡合金。
18.根据本发明的第四方面，提供了一种可穿戴无线供电系统，包括：
19.柔性基板，具有形成于其上的电感器图案；和
20.电源，包括电池和柔性印刷电路板上的电路，所述电源配置为可附接到所述柔性基板；
21.其中，所述电源还被配置用于当附接到所述柔性基板时通过所述电感器图案进行
近场电力传输。
22.根据本发明的第五方面，提供了一种制造用于近场通信系统的继电器的方法，包括以下步骤：
23.提供柔性基板；和
24.在所述柔性基板上提供电路；
25.其中所述电路包括：
26.集线器电感器图案，被配置为通过电磁感应接收和发送；
27.一个或多个终端电感器图案，其相对于所述柔性基板的表面与所述集线器电感器图案横向间隔开，并且被配置为通过电磁感应接收和发送；和
28.集线器电感器和一个或多个终端电感器之间的连接迹线。
29.根据本发明的第六方面，提供了一种制造导电管的方法，包括以下步骤：
30.提供能够绣在织物上的管状元件；和
31.将镓铟锡合金填充到所述管状元件中。
32.根据本发明的第七方面，提供了一种制造可穿戴无线供电系统的方法，包括以下步骤：
33.提供具有形成于其上的电感器图案的柔性基板；和
34.在柔性印刷电路板上提供包括电池和电路的电源，所述电源被配置为可附接到所述柔性基板；
35.其中，所述电源还被配置用于当附接到所述柔性基板时通过所述电感器图案进行近场电力传输。
附图说明
36.本领域普通技术人员从以下仅作为示例并结合附图的书面描述中将更好地理解和容易理解本发明的实施例，其中：
37.图1a示出了根据示例实施例中，在基于支持近场的衣服的无电池传感器网络中，多个无电池皮肤/植入传感器(左)并通过支持近场的衣服(右)互连到无线装置的示意图。
38.图1b示出了常规近场通信限于读取器和传感器之间最多几厘米的距离的示意图。
39.图1c示出了说明根据示例实施例的近场继电器能够在分离中实现上米级的近场连接的示意图。
40.图1d示出了根据示例实施例的由直接位于传感器(顶部)上方的读取器生成的归一化磁场|habs|，读取器偏离传感器(中心)，并且读取器通过近场继电器互连到传感器；读取器和传感器直径为31毫米，位移h＝5毫米和d＝80毫米。
41.图1e示出了根据示例实施例的作为读取器与传感器之间的分离距离d的函数的无线电力传输效率η，在没有(上图)和(下图)1米长的继电器的情况下。
42.图2a示出了功率传输效率η随着传感器节点沿垂直方向远离电源(不带继电器)或终端 (根据示例实施例具有继电器)移动的变化。在使用1米长的继电器的情况下，读取器以1 厘米的间距放置在集线器的顶部。沿垂直方向移动时，没有错位w＝0cm。
43.图2b示出了功率传输效率η随着将传感器节点从电源(不带继电器)或终端(根据示例实施例具有继电器)移动而变化。在使用1米长的继电器的情况下，读取器以1厘米的间
距放置在集线器的顶部。沿横向移动时，高度固定为h＝1cm。
44.图3a示出了根据示例实施例的支持近场的长袖衬衫的照片，该示例实施例包括具有单个集线器和八个终端的网络。
45.图3b示出了根据示例实施例的近场继电器在将无线读取器与传感器节点互连时的配置的示意图。
46.图3c示出了图3b的继电器系统的电路模型。
47.图3d示出了根据示例实施例的当功率从电源传输到电感器时，功率传输效率η对继电器的电感器的半径r的相关性。
48.图3e示出了根据示例实施例的当电力从电源传输到电感器时，继电器的电感器的匝数n 对电力传输效率η的相关性。
49.图3f示出了根据示例实施例的当电力从电源传输到电感器时，继电器的电感器的线间隙 g对电力传输效率η的相关性。
50.图3g示出了根据示例实施例的作为继电器长度l的函数的功率传输效率η；几何参数为 r＝1.7cm,n＝10,g＝0.1cm,h＝1cm,和w＝0cm。
51.图3h示出了根据示例实施例的电力传输效率η对近场继电器的电导率σ的相关性。电能通过一个3米长的近场继电器从无线读取器传输到传感器节点。读取器和传感器节点以间距为1厘米分别放置在继电器的集线器和终端下方。
52.图4a示出了根据示例实施例的用于继电器的功能图案的刺绣制造工艺的图示。功能性导电线通过纺织线固定在织物上。
53.图4b示出了刺绣机可以集成的不同图案的照片，例如阿基米德螺旋线圈(左)、矩形螺旋线圈(中)和蛇形结构(右)。
54.图4c示出了根据示例实施例的使用不同种类的功能性导电线绣制的相同图案，例如铜线(awg32，左)、带有pu封装的镀银织物线(外径600微米，中)和定制的镓铟锡合金 (galinstan)管(外径600微米，右)。
55.图5a示出了响应于裸铜线、带有pu封装的镀银织物线和定制镓铟锡合金管对第一个和最后一个弯曲循环(最小半径1mm)的电阻r。
56.图5b示出了r随裸铜线、带有pu封装的镀银织物线和定制镓铟锡合金管的弯曲循环的变化。
57.图5c示出了用三种材料制造的三个线圈的品质因数，即裸铜线、带有pu封装的镀银织物线和定制的镓铟锡合金管。线圈尺寸相同，直径6厘米，间距1.5毫米，匝数为13。
58.图5d示出了三种功能性导电线的电阻δr/ro的相对变化，即裸铜线、pu封装的镀银织物线和定制的镓铟锡合金管，浸入70℃1x磷酸盐缓冲盐溶液中。
59.图5e示出了保留在由pi薄膜(12um厚度)、共聚酯(ecoflex)片材(500um)、pdms 片材(500um)、聚酯-氨纶织物和带有定制的镓铟锡合金管的织物刺绣密封的瓶子内的水重量 m的时间相关性。将瓶子放置在37.5℃和20％相对湿度的腔室中。
60.图6a示出了定制的镓铟锡合金管的直线结构的图像。
61.图6b示出了定制的镓铟锡合金管的蛇形结构。
62.图6c示出了在根据示例实施例的具有直线互连的继电器上方的归一化磁场幅度|habs|。
63.图6d示出了在根据示例实施例的具有蛇形互连的继电器上方的归一化磁场幅度|habs|。
64.图6e示出了根据具有直接互连的示例实施例的继电器的拉力f和电阻r(f)对应变ε的相关性。
65.图6f示出了根据具有蛇形互连的示例实施例的继电器的拉力f和电阻r(f)对应变ε的相关性。
66.图7a示出了根据示例实施例的具有变化的近场继电器的终端半径r的归一化磁场分布 |habs|。终端保持恒定的内半径(2mm)和线间隙(1mm)。
67.图7b示出了沿x方向的场分布(图7a中的白色虚线)。
68.图7c示出了沿z方向的场分布(图7a中的白色虚线)。
69.图8a示出了根据示例实施例的具有变化的近场继电器的终端匝数n的归一化磁场分布 |habs|。终端保持恒定的外半径(20mm)和线间隙(1mm)。
70.图8b示出了沿x方向的场分布(图7a中的白色虚线)。
71.图8c示出了沿z方向的场分布(图7a中的白色虚线)。
72.图9a示出了根据示例实施例的具有近场继电器的变化的线间隙g的归一化磁场分布 |habs|。终端保持恒定的外半径(20mm)和内半径(2mm)。
73.图9b示出了沿x方向的场分布(图7a中的白色虚线)。
74.图9c示出了沿z方向的场分布(图7a中的白色虚线)。
75.图10a示出了根据示例实施例的由设计(1)部分圆形(直径7.2厘米，左)，(2)矩形(10 厘米长，4厘米宽，中)和(3)填充的圆形(10厘米直径，70％面积填充率，右)产生的磁场。设计(1)和(2)的面积填充率为38％。
76.图10b示出了沿着图10a中的虚线的相应磁场分布。
77.图10c示出了对于设计(1)和(2)，随着传感器节点沿垂直方向远离终端移动，功率传输效率η的相应变化。当传感器节点沿垂直方向移动时，没有错位，w＝0cm。
78.图10d示出了对于设计(1)和(2)，随着传感器节点沿横向方向远离终端移动，功率传输效率η的相应变化。当传感器节点沿横向移动时，高度固定为h＝1cm。
79.图11a示出了根据示例实施例的继电器上方的磁场，其中多个终端并联连接。集线器和每个终端之间的距离l＝30厘米。电源/传感器节点以1厘米的间距放置在集线器/终端上。
80.图11b示出了根据示例实施例的继电器上方的磁场，其中多个终端串联连接(b)。集线器和每个终端之间的距离l＝30厘米。电源/传感器节点以1厘米的间距放置在集线器/终端上。
81.图11c示出了根据示例实施例的并联(上面板)和串联(下面板)连接的2终端近场继电器的电路模型。
82.图11d示出了作为根据示例实施例的继电器中并联或串联连接的终端总数的函数到终端的电力传输效率η。
83.图12a示出了根据示例实施例的功率传输效率η对用于弯曲的继电器的互连线的弯曲曲率的相关性。传感器节点和终端之间的最小间距为1cm。
84.图12b示出了根据示例实施例的功率传输效率η对用于弯曲的继电器的终端和传
感器节点两者的弯曲曲率的相关性。当同时弯曲两个传感器节点时，传感器节点连接到终端。
85.图12c示出了根据示例实施例的仅弯曲继电器终端的功率传输效率η对弯曲曲率的相关性。传感器节点和终端之间的最小间距为1cm。
86.图12d示出了根据示例实施例的继电器的功率传输效率η对溅水的相关性。
87.图12e示出了横跨的间断点，相邻继电器之间的间距为2mm的归一化磁场分布 |h
abs
|。
88.图12f示出了功率传输效率η对图12e的相邻继电器之间的不连续的数量的相关性。
89.图13a示出了根据示例实施例的继电器的终端电感器作为读取器通过曲率κ0、0.1、0.2 和0.4 1/cm的组织模型分布到植入装置的归一化磁场|habs|。读取器直径为6cm，方形植入装置长1cm，间隙h＝1cm。
90.图13b示出了针对图13a中所示的四个条件的模拟功率传输效率η。阻抗匹配在 13.56mhz。
91.图13c示出了从实验测量、电路模拟和cst模拟获得的功率传输效率η的比较。配置如图13a所示,κ＝0 1/cm。
92.图13d示出了η对未对准w的相关性。
93.图13e示出了η对间隙h的相关性。
94.图13f示出了η对相对旋转角θ的相关性。
95.图14a示出了根据用于实时姿势监测的示例实施例的无线传感器系统的示意图，其中安装在颈椎(s1)、胸椎(s2)和腰椎(s3)部分上的无电池应变传感器通过具有近场功能的衣服同时互连到一个nfc集线器设备。
96.图14b示出了根据示例实施例的直接通过有线连接和通过nfc无线测量的应变传感器电阻，其中应变从0％循环到100％。
97.图14c示出了在人类受试者运动期间获取的传感器数据。受试者依次弯曲颈椎、下背部和整个脊柱，每个动作重复五次。
98.图15a示出了根据示例实施例的实验协议和传感器放置的示意图。受试者执行(1)坐着， (2)以2.8、5、7.2和9公里/小时的速度行走/跑步，以及(3)在恒温室(28℃，70％相对湿度) 中以6公里/小时的速度行走。与智能手机互连时，无电池传感器可提供温度和应变测量。安装在脚踝处的陀螺仪用作步态监测的参考。
99.图15b示出了根据示例实施例的有线(左)监控和无线(右)监控系统的比较的照片。
100.图15c示出了根据用于传感器互连的示例实施例的支持近场的衬衫的照片。
101.图15d示出了根据用于传感器互连的示例实施例的支持近场的裤子的照片。
102.图15e示出了根据示例实施例与有线热电偶相比的无电池温度传感器节点校准数据。
103.图15f示出了根据示例实施例的在锻炼协议期间由智能手机记录的腋窝温度。
104.图15g示出了在以2.8km/h行走期间的代表性应变传感器(顶部，根据示例实施例)和陀螺仪(底部，参考)测量值。δt是由峰到峰间隔给出的步幅时间。
105.图15h示出了由根据示例实施例的应变传感器节点测量的δt，以及在实验协议的阶段(2) 期间的陀螺仪(参考)。
106.图15i示出了由根据示例实施例的应变传感器节点和陀螺仪(参考)获取的作为速度v 的函数的δt和步幅时间变化性(stv)的比较。
107.图15j示出了在阶段(3)期间由根据示例实施例的应变传感器节点测量的δt和stv。
108.图15k示出了在阶段(3)期间由陀螺仪(参考)测量的δt和stv。
109.图16示出了图示根据示例实施例的可穿戴无线供电系统的示意图。
110.图17示出了图示根据示例实施例的制造用于近场通信系统的继电器的方法的流程图。
111.图18示出了说明根据示例实施例的制造导电管的方法的流程图。
112.图19示出了图示根据示例实施例的制造可穿戴无线供电系统的方法的流程图。
具体实施方式
113.本发明的实施例提供了能够在身体上的多个远距离点(达到米级)之间建立无线供电和数据连接的支持近场的衣服，以实现无电池传感器网络。使用计算机控制的柔性线刺绣，示例实施例将衣服与近场响应图案结合在一起，该图案优选地与身体表面良好共形并且没有易碎的硅组件。根据示例性实施例，开发了一种兼具高导电性和机械柔韧性/稳定性的刺绣兼容导电管，以使衣服具有高功率传输效率和长期稳定/舒适的日常穿着。在示例实施方式中，根据示例实施例的衣服用于将分布在身体周围的仪表高达一米的传感器的网络无线互连到可穿戴读取器，以展示根据示例实施例的用于实时、脊柱姿势的多节点测量、运动过程中温度和步态的连续感应以及无线供电植入设备的系统的应用。
114.根据示例实施例的支持近场的衣服可以通过无线连接基于近场通信(nfc)的设备(这里是皮肤/植入传感器，例如传感器101)，使用无电池传感器实现连续生理监测，在身体上的任意位置到无线读取器，如图1a所示，其中左侧示出了根据示例实施例的没有穿支持近场的衣服的人100，这里是衬衫102a和裤子102b，以及右图显示了(相同的)人100穿着衬衫102a 和裤子102b。衬衫102a和裤子102b结合了连接的平面电感器图案，例如集线器104，终端 106，其用作物理分离位置之间的继电器，通过在传统织物上绣制导电线/管来制造。注意，“集线器”或“终端”的设置可以互换。当此处为移动电话108形式的无线读取器放置在靠近这种电感器图案(例如集线器104)时，时变磁场(在一个示例中为13.56mhz的工业、科学和医疗频带)如图1b、c所示，在整个继电器中感应电流，同时在继电器的终端(例如106) 末端处产生磁性“热点”，从而实现与传感器的连接，否则超出传统nfc的范围，如图1d 所示。尽管标准的基于nfc的传感器实现允许传感器-读取器之间的距离最多为几厘米(对于移动设备通常《4cm)，但根据本发明示例实施例的近场继电器有利地实现了远距离操作(高达米级)，前提是传感器和读取器位于相应电感器图案的近场内，例如移动电话108位于集线器104的近场内，而传感器(例如101)位于终端106的近场内。
115.图1e说明了用于nfc系统的1米近场继电器的函数，其中读取器和传感器由3.1厘米直径的同心线圈建模。作为衡量无线交互强度的指标，在理想阻抗匹配条件下评估无线
功率传输效率它仅是读取器电感器q1的品质因数、传感器电感器q2的品质因数和耦合系数к的函数。全波模拟显示，当传感器在没有继电器的情况下横向位移5cm 时，η从同心配置中的70％下降到1％，如图1e中的上图110所示。然而，根据示例性实施例，将读取器放置在继电器的集线器104上方1cm处会在继电器的终端106 1m处产生磁热点，其中场幅度与在没有中继的情况下相同距离的场相比增加了大约五个数量级，使η在以前无法建立连接的区域中达到30％，比较图110、112和放大图114。从图114可以看出，在距离热点中心1.5cm，η超过10％，这足以通过nfc执行可靠的能量和数据传输。有利地，根据示例实施例的近场无线数据传输在物理上保持安全以防止窃听攻击，因为在垂直方向和横向方向上的操作范围都被限制在距继电器任一端的源大约4cm处，例如在集线器104和终端106。图2a、b显示了功率传输效率η随着传感器节点分别沿垂直方向和横向方向远离电源(没有继电器)或终端(即，根据示例实施例具有继电器)的移动。在本示例实施例中使用1米长的继电器的条件下，读取器以1厘米的间距放置在集线器的顶部。沿垂直方向移动时，没有错位w＝0cm。沿横向方向移动时，高度固定为h＝1cm。显示了模拟和实验数据。
116.根据示例实施例的设计、制造和表征
117.能够跨手腕和躯干建立近场连接的支持近场的衣服被设计和制造成图3a所示的长袖衬衫 300的形式，用于在该示例实施例中与智能手机读取器配合。基于电路模型和全波模拟的设计过程被用来优化作为几何参数的函数的η，如图3b中继电器302的标准配置所示。
118.由于相对于继电器(例如302)长度尺度的长波长，即使当电感器之间的互连是曲折的或结构放置在非平面表面上时，也可以通过图3c所示的电路准确地模拟配置。按照设计程序，电感器图案优化用于互连3.1厘米直径读取器(例如304)/传感器(例如306)产生了一个半径r＝1.7cm、匝数n＝10和线间隙g＝1mm的电感器图案(比较图3d-f中的优化图)，然后在工作频率13.56mhz下互连多个优化的电感器图案。使用电导率＝7.8
×
104s/m的导电线(在示例实施例中采用聚氨酯(pu)封装的镀银聚酰胺纱线)，近场继电器使η在长度l＝ 10cm到1m之间保持在30％(图3g)，尽管当l＝3m时，由于螺纹和传输线效应中的欧姆损耗而下降到6.3％(图3h)。通过使用例如高导电铜线，在不同的实施例中效率可以提高高达50％。
119.根据示例实施例的支持近场的衣服是使用计算机控制的刺绣制造的，以将衣服上的功能线与可编程图案集成(图4a)。功能性导电线400作为底线加载并通过对流线404固定在织物 402上。各种功能图案，例如阿基米德螺旋线圈、矩形螺旋线圈和蛇形结构(图4b)，可以通过计算机设计-辅助设计软件，然后使用特定软件转换为绣花兼容文件并在织物上自动绣花 (图4c)。可以绣出多种功能性导电线，例如裸金属(例如铜)线、具有聚氨酯(pu)封装的金属(例如银)镀层聚酰胺纱线，以及根据示例实施例定制开发的导电线，这将在更多细节在下面。
120.根据本发明示例实施例的定制导电管被提供用于具有近场功能的高性能和日常使用的衣服，并且能够绣在织物上，即与绣花兼容。此处的刺绣兼容是指管材能够绣在织物(如衣服) 上，并且管材的强度足以使管材在刺绣过程中优选不会断裂或拉伸。管材刺绣兼容取决于杨氏模量和管材直径，合适的范围分别为杨氏模量》250mpa和管材直径《700μm。合
适管材的非限制性示例包括全氟烷氧基管材和聚四氟乙烯、ptfe管材。在一个示例实施例中，定制开发的导电管是通过用镓铟锡合金(galinston)填充全氟烷氧基管来制造的。根据该示例实施例的定制导电管在本文中也称为galinston管。选择全氟烷氧基管是因为它具有较高的杨氏模量和柔韧性，可以与绣花机兼容，不会在绣花过程中造成管材拉伸或断裂。galinstan在室温下呈液态，可以适应任何变形。如图5a、b所示，裸铜线(“m1
”‑
awg32，直径约202微米)， pu封装镀银纺织线(“m2”直径约250微)和galinstan管(m3-直径约305微米)进行弯曲测试，最小半径为1mm，最多10000次循环。由于其低屈服应变(约0.5％)，裸铜线在大约10 次循环后断裂，而其他两条导电线在整个测试过程中保持稳定的电阻，表明它们具有长期可穿戴使用的潜力。图5c比较了使用不同导电线(即裸铜线、带pu封装的镀银聚酰胺纱线和 galinstan管)制造的三个线圈(直径6厘米，间距1.5毫米，13匝)在频率范围内分别为 10mhz至20mhz的品质因数。galinstan管兼具高电导率(直流电导率3.46x106s/cm)和大尺寸以实现最大品质因数，其在13.56mhz下，q＝45，远高于导电线，其在13.56mhz下， q＝5。为了研究与人体汗液接触的长期稳定性，将不同的导电线浸入70℃1x磷酸盐缓冲盐溶液中。图5d表明，pu包覆的镀银聚酰胺纱线和galinstan管都保持稳定的导电性，而没有 pu包覆的镀银聚酰胺纱线(“m2无包封”)逐渐失去导电性，主要是因为镀银的氧化。在织物上直接刺绣galinstan管并没有改变织物的透气性(图5e)，从而保持了穿着舒适性。在图 5e中，聚酰亚胺(pi)、共聚酯(ecoflex)、聚二甲基硅氧烷(pdms)的曲线重叠。作为比较，在微流体通道(pdms或ecoflex基质)中填充galinstan或在柔性聚酰亚胺薄膜上沉积铜的传统方法显着阻碍了气体渗透性。应注意，虽然根据示例实施例的导电线仅略微可拉伸，但具有蛇形设计的图案实现了100％的可拉伸性，同时保持相同的传输效率(图6)。
121.根据示例实施例的近场继电器可以被定制以减轻nfc连接对传感器的方向和对准的敏感性。通过改变电感器图案，可以控制磁场分布以实现单独由读取器/传感器对无法实现的操作区域和/或工作距离。全波模拟表明，根据各种示例实施例，在改变匝数n和线间隙g的同时增加半径r允许传感器在增加的5厘米直径区域上运行(图7-图9)。图10显示了针对垂直范围h(部分圆形，图10a(1)和10b)、方向位移w(矩形，图10a(2)和c)或操作区域(实心圆形，图10a(3)和10c)优化的代表性电感器设计的磁场分布。
122.根据示例实施例，还可以使用具有多个电感器图案的近场继电器来实现多个传感器的同时读出。当串联或并联互连时(图11a-12c)，读取器对单个终端的激励会导致创建多个磁热点，这些磁热点可以使用本领域已知的现有nfc多路复用协议启用多节点传感器功能。由于能量分布在多个端点上，传输效率与传感器的数量成反比(图11d)。尽管串联互连保持通过所有电感器的恒定电流和更高的效率，但并联互连更稳健并且即使一个(或多个)电感器图案断开也可以保持功能。
123.根据示例实施例的近场继电器对变形和润湿也非常稳健。当继电器共形放置在曲面上时，由于互连线(或电感器和传感器节点)均置于半径为2mm(5mm)的表面，效率变化小于2％，同时效率降低由于磁场的重新分布，只有电感器图案受到半径为2mm的表面的影响(图 12a-12c)。电感器图案或互连线的润湿导致效率变化小于3％，表明无线连接对天气或汗水的鲁棒性(图12d)。两个近场继电器也可以通过将它们的电感器图案靠近放置来无线互连(图 12e，12f)，这可以用于在不同的衣服之间传输能量和数据，例如在衬衫和裤子之间。需要注意到的是，第二个继电器的终端和第三个继电器的集线器的磁场合并在一起，但
它们在物理上是分开的。
124.根据示例实施例的支持近场的衣服可以很好地贴合人体皮肤，以无线和稳健地为植入设备供电。在示例实施例中，可提供一种可穿戴无线供电系统，该系统包括具有电池和柔性印刷电路板的织物可附接电源，以及具有一个电感器图案的支持近场的衣服。电感器图案可以例如通过按扣按钮电连接到电源，由根据示例性实施例的柔性导电galinstan管制造的近场使能衣服可以在曲面上很好地保形。参考图13a，全波模拟表明，作为读取器的电感器图案1 (电池和柔性印刷电路板未在图13a的模拟结果中显示)产生的磁场可以传输到植入设备2，在13.56mhz的供电传输效率随着组织模型(模拟人体的组织模型)的曲率从0到0.4 1/cm增加(图13b)。实验测量、电路仿真和cst仿真表明，阻抗匹配在13.56mhz的可穿戴无线供电系统具有一致的功率传输效率(图13c)。cst仿真进一步用于通过改变继电器电感图案、充当读取器和传感器的相对位置(包括平面未对准、垂直间隙和旋转角度(图13e-f))来研究系统的工作范围。
125.根据示例实施例的多节点脊柱姿势监测
126.在临床或实验室环境之外实时监测脊柱姿势在诊断和治疗肌肉骨骼疾病(如颈部和背部疼痛、神经根病和感觉运动障碍)中具有重要应用。通过互连多个无电池应变传感器(例如 s1)连续感测脊柱姿势，多个传感器沿着脊柱的颈椎、胸椎和腰椎部分分布，现在将描述根据示例实施例的具有近场功能的衣服，这里是衬衫1402(图14a)。每个可安装在皮肤上的传感器(例如1400)将商用nfc芯片组1404与定制的电阻弹性应变计1406相结合，其表现出高达100％的应变和3的应变系数(图14b)。根据示例实施例的多节点近场继电器绣在聚酯
‑ꢀ
氨纶衬衫1402上，将传感器s1-s3无线互连到佩戴在右臂上的nfc读取器1407，该nfc读取器由中继集线器1408上方的带子(未示出)固定。近场继电器包含用于终端1411-1413的矩形螺旋电感器图案，以抵抗传感器s1-s3相对于衣物层的垂直位移。矩形螺旋电感器图案也用于集线器1408。
127.图14c显示了传感器s1-s3(即节点1-3)网络在生理运动期间以1hz采样率获取的连续应变测量。来自传感器s1-s3的同时数据采集能够区分三种不同的运动：(i)颈部运动导致 s1的相对阻力变化δr/r0(最大150％)，而不是s2或s3，(ii)下背部运动导致s2和s3 (最大60％)的信号，但不是s1，以及(iii)整个脊柱运动导致所有三个传感器的信号。每个动作的五次重复(10秒持续时间)的一致记录证明了无线连接的可靠性。这种分布式和连续的传感模式能够实时反馈以纠正不正确的姿势，而无需靠近无线读取器。
128.根据示例实施例的支持近场的衣服可以在皮肤/传感器和衣物层之间的适度位移期间提供来自可皮肤安装的传感器的高保真监测。在该示例实施例中，矩形电感器设计在传感器从中心对齐位置的3厘米位移内，保持从读取器到传感器的23％的功率传输效率。由于无需电池操作，每个可安装皮肤的传感器重量轻(0.3g)且灵活，减少了用户的机械负荷。根据示例实施例，通过利用网络的连续无线操作，集线器可以向对象提供实时生物反馈以进行姿势调整。
129.根据示例实施例的连续运动监测
130.无线无电池传感器可以为运动和健康监测提供重要的监测能力，但据发明人所知，由于在保持与无线读取器的连接方面存在挑战，之前尚未证明基于nfc的设备在运动期间的连续操作。本发明的示例实施例通过使用根据示例实施例的支持近场的衣服1500a，
1500b在不受束缚的运行期间将基于nfc的温度和应变传感器1502，1504互连到智能手机读取器来克服这一挑战(图15a，15b)。在图15b中，与根据示例实施例的无线系统相比，左侧的照片显示了有线系统以突出对人类活动造成的障碍，如右侧的照片所示。
131.在图15b所示的实施例中，作为读取器的智能手机选择性地佩戴在手臂或臀部。这是因为目前的智能手机一般不支持多路读取nfc标签。根据不同示例实施例的支持近场的衣服可以被设计为将两个集线器合并为一个，例如，位于臀部，因此单个读取设备可以同时与两个传感器交互。
132.根据示例性实施例的所得监测系统能够使用腋下的温度传感器1502和膝盖上的应变传感器1504分别实时测量腋窝温度、健康和表现的重要标志以及跑步步态、疲惫和某些神经退行性疾病的指标。尽管在生理运动期间读取器不能直接访问传感器节点，但根据绣在聚酯-氨纶衬衫1500a和裤子1500b(图15c，15d)上的示例实施例，近场继电器1506、1508保持连续连接。
133.无电池温度传感器1502用于测量腋窝温度。使用有线热电偶1510(图15b)进行的校准测量显示与温度传感器1502(图15e)非常一致。图15f显示了来自温度传感器1502的健康受试者在(1)在热室中从室内到室外热带气候(28℃，70％相对湿度)的适应过程中， (2)在跑步机上行走，速度逐步增加，和(3)在跑步机上以恒定速度行走(图15a)。正如预期的那样，传感器在适应阶段的6分钟内检测到腋窝温度快速升高1.5℃，然后在步行期间缓慢升高0.5℃，这归因于生理活动期间皮肤血流量的增加。以恒定的速度行走会导致由排汗和蒸发冷却引起的体温小幅波动(《0.5℃)。尽管衣服1500a、1500b由于汗水弄湿，但在40 分钟的协议持续时间内以4hz采样率实时获取数据，而没有任何连接损失。根据示例实施例的这种温度监测的连续模式可以在体育活动、军事运输和其他不适合常规监测技术(例如红外成像)的环境中检测劳力性热应激。
134.绣在跑步裤1500b上的近场继电器使应变测量能够同时从安装在膝盖上的无电池传感器1504获得。图15g显示了步行阶段的代表性数据，与从连接到脚踝并通过蓝牙与智能手机通信的电池供电陀螺仪1510(图15a)获得的角速度测量值进行比较。使用峰值检测算法从两个信号计算的步幅时间δt在整个变速阶段(图15h)显示出密切的一致性(《1.5％差异)(图15h)，表明应变传感器1504提供了可靠的步态测量。该数据可用于计算步幅时间变化性(stv)，这是神经退行性疾病的临床相关标志物，用于性能反馈和干预。当跑步机速度 v从2.8km/h增加到9km/h时，stv的相应下降(2.1％到1.74％)小于δt的下降(0.98s到 0.65s)(图15i)，这是一个主体适合度的指标。对于年轻健康的成年人，长时间运动后stv 应低于3％。无电池应变传感器1504和陀螺仪1512的测量结果表明，在锻炼协议的剩余持续时间(30分钟)内，stv保持低于该阈值(分别为2.58％和1.86％)(图15j-15k)。
135.在一个实施例中，提供了一种用于近场通信系统的继电器，包括：柔性基板；设置在所述柔性基板上的电路，其中，所述电路包括：集线器电感器图案，被配置为通过电磁感应接收和发送；一个或多个终端电感器图案，其相对于所述柔性基板的表面与所述集线器电感器图案横向间隔开，并且被配置为通过电磁感应接收和发送；和集线器电感器和一个或多个终端电感器之间的连接迹线。
136.所述柔性基板包括织物。所述织物包括衣服。
137.所述连接迹线被配置为将所述终端电感器图案中的两个或更多个串联连接到所
述集线器电感器。
138.所述连接迹线被配置为将所述终端电感器图案中的两个或更多个并联连接到所述集线器电感器。
139.所述集线器电感器图案、一个或多个终端电感器图案和连接迹线可以由导电线形成。导电线可以绣在柔性基板上。继电器可以包括将导电线固定在柔性基板上的纺织线。导电线可以包括由裸线、封装线和填充有导电材料的管组成的组中的一种或多种。管可以包括全氟烷氧基并且导电材料可以包括galinstan。
140.在一个实施例中，一种近场通信系统包括上述实施例的一个或多个继电器。
141.所述系统还可以包括一个或多个传感器/设备，该传感器/设备被配置为通过电磁感应接收和发送，并且可在一个或多个终端感应图案中的相应图案的近场通信范围内处置。所述一个或多个传感器/装置被配置用于包括数据通信和电力提取的近场通信。所述传感器/装置均设置在衣服和/或皮肤上，或者被植入。
142.所述系统还可以包括至少一个读取器设备，该读取器设备被配置为通过电磁感应接收和发送，并且可在集线器感应图案之一的近场通信范围内处置。一个或多个读取器设备可以被配置用于包括数据通信和电力传输的近场通信。
143.在一个实施例中，提供了一种导电管，其包括能够被绣在织物上的管状元件；和填充到所述管状元件中的镓铟锡合金。
144.在一个实施例中，提供了一种如图16所示的可穿戴无线供电系统1600，其包括其上形成有电感器图案1604的柔性基板1602；包括电池1608和柔性印刷电路板1610上的电路1609 的电源1606，所述电源1606被配置为可附接到柔性基板1602；其中，电源1606还被配置用于当附接到柔性基板1602时通过电感器图案1604进行近场电力传输。
145.电路1609可以包括一个或多个电子元件，例如微控制器、近场通信芯片、振荡器、电感器、电阻器、和电容器。组件可以焊接在柔性电路板1610上。
146.电源1606可以附接到柔性基板。
147.柔性基板1602可以包括织物。织物可以包括衣服。
148.图17示出了流程图1700，其图示了根据示例实施例的制造用于近场通信系统的继电器的方法。在步骤1702，提供柔性基板。在步骤1704，在柔性基板上提供电路，其中电路包括集线器电感图案，其被配置为通过电磁感应接收和发送；一个或多个终端电感器图案相对于柔性基板的表面与集线器电感器图案横向间隔开，并且被配置为通过电磁感应接收和发送；以及集线器电感器和一个或多个终端电感器之间的连接迹线。
149.柔性基板可以包括织物。织物可以包括衣服。
150.该方法可以包括将两个或更多个终端电感器图案串联连接到集线器电感器。
151.该方法可以包括将两个或更多个终端电感器图案并联连接到集线器电感器。
152.集线器电感器图案、一个或多个终端电感器图案和连接迹线可以由导电线形成。该方法可以包括将导电线绣在柔性基板上。该方法可以包括使用纺织线将导电线固定在柔性基板上。导电线可以包括由裸线、封装线和填充有导电材料的管组成的组中的一种或多种。管可以包括全氟烷氧基并且导电材料可以包括galinstan。
153.该方法还可以包括提供一个或多个传感器/装置，所述传感器/装置被配置为通过电磁感应接收和发送，并且可在所述一个或多个终端感应图案中的相应终图案的近场通信
范围内处置。一所述一个或多个传感器/装置被配置用于包括数据通信和电力提取的近场通信。该方法可以包括将传感器/设备设置在衣服和/或皮肤上，或植入传感器/装置。
154.该方法还可以包括提供至少一个读取器装置，所述读取器装置被配置为通过电磁感应接收和发送并且可在所述集线器感应图案之一的近场通信范围内处置。一个或多个读取器装置可以被配置用于包括数据通信和电力传输的近场通信。
155.图18示出了流程图1800，其示出了根据示例实施例的制造导电管的方法。在步骤1802，提供能够被绣在织物上的管状元件。在步骤1804，将galinstan填充到管状元件中。
156.图19示出了图示根据示例实施例的制造可穿戴无线供电系统的方法的流程图1900。在步骤1902，提供其上形成有电感器图案的柔性基板。在步骤1904，提供包括电池和柔性印刷电路板上的电路的电源，该电源配置为可附接到该柔性基板；其中该电源还配置用于通过电感器进行近场电力传输连接到柔性基板时的图案。
157.该电路可以包括一个或多个电子元件，例如微控制器、近场通信芯片、振荡器、电感器、电阻器、电容器。元件可以焊接在柔性电路板上。
158.该方法可以包括将电源附接到柔性基板。
159.柔性基板可以包括织物。织物可以包括衣服。
160.如上所述，根据示例实施例，可以在使用支持近场的衣服进行锻炼期间使用无电池传感器提供连续生理监测。根据示例实施例的支持近场的衣服集成了电磁响应模式，该模式可以将近场技术的连接性从无线读取器周围几厘米的范围扩展到分布在身体周围的多个无电池传感器的米级网络。模拟和电路模型说明了根据示例实施例在衣服上设计此类图案的原理和过程，并且姿势和运动监测中的示例实施例在不受约束的环境中提供连续的无线供电和感测。在示例实施例中提供了具有高导电性、柔韧性和稳定性的刺绣兼容导电管，以使近场衣服具有高功率传输效率和长期/舒适的日常穿着。
161.根据示例实施例，通过支持近场的衣服互连的可穿戴/植入传感器网络,因此可以开启现有方法不可行的工程和临床机会。例如，通过消除刚性和笨重的电池，无线传感器可以轻巧且在皮肤上不易察觉，从而提高信号质量和用户舒适度。如果集线器(例如智能手机)的电源可用，这些传感器无需移除或充电，并且可以长时间留在身体上。它们的低成本还允许一次性操作，其中设备被消毒，部署在身体上，并在使用后丢弃。最好使用单个可穿戴设备执行此类传感器的实时读数的能力允许对康复(物理治疗)、放射成像、辅助生活中的临床应用以及运动表现评估和疲劳检测的运动应用中的全身监测。
162.与传感器或读出电路直接结合到衣服中的替代电子织物方法相比，根据示例实施例的支持近场的衣服没有任何可能易受洗涤和日常穿着影响的电子元件，并且可以平滑地保形在人体上为皮肤传感器和植入设备提供强大的供电和通信。根据示例实施例的衣服无需连接器就可以与附近的设备无线交互，因此除了穿在身上之外不需要额外的努力来使用。由于根据示例实施例的衣服直接操纵身体周围的磁场分布，因此该衣服与任何支持nfc的设备(例如智能手机)兼容，无需对设备进行任何修改，因此不会引起除此之外的显着暴露风险传统的无线技术。
163.本发明的实施例可以具有以下特征中的一个或多个以及相关的益处/优点。
[0164][0165][0166]
本发明的实施例可以很好地适用于以下商业应用，仅作为示例：
[0167]
1、近场通讯工作距离短。本发明实施例可以显着延长近场通信的工作距离，实现分布于全身的无电池传感器的无线供电和通信。
[0168]
2、商用导电线的导电性与机械柔韧性/稳定性之间的冲突。根据示例实施例的支持近场的衣服是通过在织物上刺绣导线来制造的。在本发明的一个实施例中，与刺绣兼容的导电管实现了接近铜线的高导电性和与导电线相当的柔韧性/稳定性。
[0169]
本文公开的各种功能或过程可以描述为体现在各种计算机可读介质中的数据和/或指令，就其行为、寄存器传输、逻辑组件、晶体管、布局几何形状和/或其他特性而言。可以在其中体现这种格式化数据和/或指令的计算机可读介质包括但不限于各种形式的非易失性存储介质(例如光、磁或半导体存储介质)和可以使用的载波通过无线、光学或有线信号媒体或其任何组合传输此类格式化数据和/或指令。通过载波传输此类格式化数据和/或指令的示例包括但不限于通过一个或多个数据传输在互联网和/或其他计算机网络上传输
(上传、下载、电子邮件等)协议(例如，http、ftp、smtp等)。当通过一种或多种计算机可读介质在计算机系统内接收时，所描述的系统下的组件和/或过程的此类数据和/或基于指令的表达可由内部的处理实体(例如，一个或多个处理器)处理计算机系统连同一个或多个其他计算机程序的执行。
[0170]
本文描述的系统和方法的方面可以实现为被编程到各种电路中的任何一种的功能，包括可编程逻辑器件(pld)，例如现场可编程门阵列(fpga)、可编程阵列逻辑(pal)器件、电可编程逻辑和存储设备以及基于标准单元的设备，以及专用集成电路(asic)。用于实现系统方面的一些其他可能性包括：具有存储器的微控制器(例如电子可擦除可编程只读存储器 (eeprom))、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统的方面可以体现在具有软件的微处理器中基于电路仿真、离散逻辑(顺序和组合)、定制设备、模糊(神经)逻辑、量子设备以及上述任何设备类型的混合。当然，底层器件技术可以以多种组件类型提供，例如，互补金属氧化物半导体(cmos)等金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)技术、发射极耦合逻辑(ecl)等双极技术，聚合物技术(例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物-金属结构)，混合模拟和数字等。
[0171]
系统和方法的图示实施例的上述描述并非旨在穷举或将系统和方法限制为所公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的描述了系统组件和方法的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在系统、组件和方法的范围内可以进行各种等效修改。此处提供的系统和方法的教导可以应用于其他处理系统和方法，而不仅仅是用于上述系统和方法。
[0172]
本领域技术人员将理解，可以对如具体实施例中所示的本发明进行多种变化和/或修改，而不背离广泛描述的本发明的精神或范围。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而不是限制性的。此外，本发明包括针对不同实施例描述的特征的任何组合，包括在概述部分中，即使该特征或特征组合没有在权利要求或本实施例的详细描述中明确指定。
[0173]
一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将系统和方法限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括在权利要求下操作的所有处理系统。因此，系统和方法不受本公开的限制，而是系统和方法的范围将完全由权利要求来确定。
[0174]
除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应被解释为包容性的含义，而不是排他性或穷举性的含义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。使用单数或复数的词也分别包括复数或单数。此外，词语“这里”、“之后”、“以上”、“以下”和类似含义的词语是指整个本技术，而不是本技术的任何特定部分。当“或”一词用于指代两个或多个项目的列表时，该词涵盖该词的以下所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及任何组合列表中的项目。