CFan科学院:从科幻走进现实的“体联网”

CFan 电脑爱好者 2019-09-26 10:01应用 标签:科学院 现实 科幻

在一些科幻电影中,可以看到普通人因为体内植入特殊芯片而变成超人的场景。如今这些只有在科幻电影中才有的“黑科技”,已渐渐步入现实,目前与人体植入设备相关的产品越来越多,甚至已替代了人类的某些器官。

植入黑科技,认识体联网

许多科幻电影中已经有了体联网的概念,如《黑客帝国》中尼奥的大脑被植入芯片,思维和行动都可以被电脑网络所控制;《超脑特工》探员的大脑被植入一枚堪比超级计算机的芯片,能够快速接入和破解大部分网络,并从中获取相应的资料(图1)。这些由植入人体(或者动物)的芯片组成的网络就是体联网。

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图1 黑客帝国中的尼奥

体联网和物联网、车联网类似,通过一个入口或者中枢系统把场景范围之内的各种设备连接起来,从而形成一个整体网络。现在科学家们已经开发出芯片设备,可以植入人体,这些芯片通过网络就可以将人与人、人与设备之间组成一个网络(图2)。

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图2 可植入人体设备

与人合体——植入芯片工作原理解读

植入人体的设备是怎么工作的呢?我们先来了解一下相对较为熟悉的物联网工作原理。以常见的智能插座为例,厂商在智能插座集成控制芯片,这样插座联通电源后芯片可以通过无线网络和手机APP进行通信,用户在手机上就可以对插座进行控制(图3)。

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图3 智能插座

体联网的原理类似,要形成一个网络,电源、芯片、数据传输是其中最重要的三个要素。

首先是供电,对于外部设备来说,供电基本不会成为问题,但对于植入设备来说保证有效供电却是一个大问题。因为植入设备体积都很小,即使内置电池,电池也有耗尽的时候,那时就需要再次取出设备更换电池,然后重新植入体内,非常麻烦(图4)。

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图4 植入式设备供电和更换电源非常不便

其次是数据传输,植入设备在人体内运行并获取信息,这些信息要通过通讯渠道传输给人体外部的接收设备。常规的物联网借助蓝牙、Wi-Fi即可轻松实现无线通讯,而植入设备的无线信号在穿过人体的时候会迅速衰减,导致它很难像物联网设备那样实现无线通信。

为了解决以上问题,麻省理工学院、哈佛医学院和布里格姆女子医院的研究者们研发了IVN(In-Vivo Networking,体内联网系统)系统,这个系统可以为设备供电和通讯提供整套的解决方案。

IVN系统主要由两部分组成,一个是体外无线电波发射基站,另一个是体内植入设备。首先IVN通过天线阵列发射不同频率的无线电波,在某一个基点,发射的电波频率同时达到最高点的时候,就能够突破为设备供电所需的能量阈值。这样IVN系统就可以通过无线的方式实现对植入设备的充电,解决了植入设备供电难题(图5)。

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图5 IVN无线充电模式

 

IVN系统同样通过无线电波的方式传输数据。平时我们使用的手机数据线就是借助电流+数据缆线传输数据的,在IVN系统中省去数据线缆的配备,可以将植入设备的数据使用无线传输的方式进行传输。当植入设备在人体内运行并存储数据,通过IVN系统就可以将数据传输到外部的接收设备中。这样借助IVN,通过体联网系统我们不仅可以完成对植入系统的充电,同时实现数据无线传输(图6)。

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图6 IVN系统无线传输数据

体联网带来健康和便利

因为体联网可以实现对植入设备的通信和控制,因此通过植入设备就可以为我们生活带来各种便利。

比如在医学上的应用,植入设备可以安装在智能药丸中,进行控制性释放药物治疗疟疾、阿兹海默症等疾病,同时还可以作为独立设备,对用户的血糖、肠道细菌等进行监测。植入设备再结合目前火热的人工智能,它不仅可以让我们获取人体内各个器官的运行状况,而且可以通过大数据和自我学习能力,为疾病诊断、健康状况的评估提供全面的支持(图7)。

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图7 智能药丸

当然体联网还有更多有趣的应用,比如可以将记忆芯片植入人脑,让人类拥有更强大的记忆能力。或者嵌入式传感器,将人体骨骼变成活体传声器。在眼睛嵌入设备中,可以通过眨眼捕捉图像,然后将其发送到任何本地存储设备中(图8)。

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图8 可以植入眼睛的芯片

不过任何事物都是有利有弊,随着植入设备的普及,如何统一数据传输格式是个难题,毕竟植入数据都非常敏感和重要,如何说服植入设备厂商遵循统一规范?另外,安全防范措施也是一个不得不考虑的问题,现在物联网、车联网都有黑客入侵控制设备的案例,如何保证物联网的安全是个难题。作为用户,我们希望得到的是简单、统一、安全的植入设备,期待这一天早点到来,让植入设备为我们提供更好的服务。