양이 보청기(Binaural Hearing Aids)를 통한 인체 커뮤니케이션 - 웨어러블기기

 

웨어러블 기술이 차세대 전자 제품을 대체할 태세를 갖추고 있는 것처럼 보이지만 대부분의 무선 통신기술은 이에 부합하지 않습니다. 이 문제를 해결하기 위해 일본 도쿄 이과 대학의 과학자들은 인체 조직을 전자기 신호의 전송 매체로 사용하는 인체 통신에 대해 깊이 연구했습니다. 그들의 발견은 바이노럴 보청기(양이 보청기) 및 이어폰과 같은 더 효율적이고 안전한 머리 착용 장치로 가는 길을 열었습니다. 이 연구를 설명하는 기사는 대학의 웹 사이트에 게재되었습니다.

 

현대의 휴대용 장치는 소형화 및 무선 통신이 크게 발전한 결과입니다. 이제 이러한 장치를 기능 손실 없이 더 작고 가볍게 만들 수 있으므로 차세대 전자 제품의 상당 부분이 웨어러블 기술을 중심으로 이루어질 것입니다. 그러나 웨어러블이 진정한 휴대용 기기를 초월하기 위해서는 장치가 "무선 신체 영역 네트워크"(또는 WBAN)로 서로 통신하는 방식을 재고할 필요가 있을 것입니다. 수신기에 도달하기를 희망하면서 주변 영역으로 신호를 방사하기 위해 안테나를 사용하는 일반적인 접근 방식은 웨어러블에 적합하지 않습니다. 그러나 이러한 전송 방식은 많은 에너지를 필요로 할 뿐만 아니라 사이버 보안 측면에서도 안전하지 않을 수 있습니다. 더구나 인체는 전자기 방사선을 흡수하고 신호를 차단하기 때문에 그 자체만으로도 큰 장애물이 될 수 있습니다.

[이미지] 귀와 머리에 착용하는 웨어러블 기기 주변의 계산된 전자기장의 분포

그러면 웨어러블 기술에 대한 대안은 무엇일까요? 한 가지 유망한 접근 방식은 신체 자체를 신호전달 매체로 사용하는 "인체 통신"(HBC)입니다. 이것의 핵심은 일부 전기장이 주변 영역으로 누출되지 않고 신체 내부로 매우 효율적으로 전파될 수 있다는 것입니다. 피부에 착용하는 장치를 전극과 연결함으로써 Bluetooth와 같은 기존 무선 프로토콜에서 사용되는 것보다 상대적으로 낮은 주파수를 사용하여 서로 통신할 수 있습니다. 그러나 HBC에 대한 연구도 20년 넘게 시작되었지만 이 기술은 대규모로 사용되지 않았습니다.

 

HBC의 잠재력을 최대한 탐색하기 위해 도쿄 이과 대학의 Dairoku Muramatsu 박사와 도쿄 대학의 Ken Sasaki 교수를 포함한 일본의 연구원들은 아직 미개척된 용도인 바이노럴 보청기에 HBC를 사용하는 데 중점을 두었습니다. 이러한 보청기 장치는 각 귀에 하나씩 쌍으로 제공되며 음장에 적응하기 위해 서로 통신함으로써 착용자의 명료도와 소리 위치 파악을 크게 향상시킵니다. 이 보청기는 피부와 직접 접촉하기 때문에 HBC에 대한 완벽한 후보 응용 프로그램을 만들었습니다. 전자저널에 발표된 최근 연구에서  연구원들은 상세한 수치 시뮬레이션을 통해 한쪽 귀의 전극에서 방출된 전기장이 사람의 머리에 어떻게 분포하고 반대쪽 귀의 수신 전극에 도달하는지, 그리고 그것이 디지털 통신 시스템에서 활용될 수 있는지 여부를 조사했습니다. 실제로 연구자들은 이전에 실제 인간을 대상으로 HBC에 대한 실험 연구를 수행했으며 그 결과는 Electronics에도 게재되었습니다 .

 

[이미지] 연구에서 제시하는 인체 통신시스템 - 웨어러블 송신기(스마트워치)와 손에 들고 있는 스마트폰 크기의 수신기 사이의 인체통신 시스템

 

연구원들은 복잡한 정도가 다른 인체 모델을 사용하여 먼저 시뮬레이션에서 정확한 결과를 보장하기 위해 최적의 표현을 결정한 다음 이것이 결정되면 Muramatsu가 말했듯이 다양한 시스템 매개변수 및 특성의 영향을 탐색하기 시작했습니다. “송수신기 전극의 입력 임피던스 특성, 전송 특성, 머리 내부와 주변 전기장의 분포를 계산했습니다. 이런 식으로 우리는 제안된 HBC 시스템의 전송 메커니즘을 명확히 했습니다.”

 

마지막으로, 이러한 결과로 그들은 테스트한 것 중에서 최상의 전극 구조를 결정했습니다. 그들은 또한 시스템으로 인한 전자기 노출 수준을 계산하고 현대적인 안전 기준에 따라 인간에게 완전히 안전할 것이라는 것을 발견했습니다.

 

전반적으로, 이 연구는 HBC의 잠재력을 보여주고 이 유망한 기술의 적용 가능성을 확장합니다. 결국, 보청기는 머리에 착용하는 모든 최신 무선 장치 중 하나에 불과합니다. 예를 들어, HBC는 훨씬 적은 전력을 사용하여 서로 통신할 수 있도록 무선 이어폰에 구현될 수 있습니다. 또한 HBC에서 사용하는 전파는 신체 외부에서 빠르게 감쇠하기 때문에 HBC 기반 장치는 별도의 사람들이 동일한 공간에서 소음이나 간섭을 일으키지 않고 유사한 주파수에서 작동할 수 있습니다.

 

“우리의 결과를 통해 우리는 보청기에 국한되지 않고 다른 머리 장착 웨어러블 장치에도 적용할 수 있는 안정적인 저전력 통신 시스템을 향한 큰 진전을 이루었습니다. 뿐만 아니라 귀걸이, 피어싱과 같은 액세서리도 새로운 커뮤니케이션 시스템을 만드는 데 사용할 수 있습니다.” 라고 Muramatsu는 말했습니다. 

 

 

원문 :  Muramatsu D, Sasaki K. Transmission analysis in human body communication for head-mounted wearable devices. Electronics. 2021;10(10):1213.

 

출처 : Tokyo University of Science, Electronics

 

 

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