Что, если бы одежда, которую вы носите, могла заботиться о вашем здоровье? Исследователи Массачусетского технологического института разработали автономный программируемый компьютер в форме эластичного волокна, который мог бы контролировать состояние здоровья и физическую активность, предупреждая владельца о потенциальных рисках для здоровья в режиме реального времени.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Исследователи сообщают, что одежда, содержащая волоконный компьютер, удобна и пригодна для машинной стирки, а волокна практически неощутимы для владельца.

В отличие от систем мониторинга на теле, известных как «носимые устройства», которые располагаются в одной точке, например, на груди, запястье или пальце, ткани и одежда имеют преимущество в том, что они контактируют с большими участками тела, близко к жизненно важным органам. Таким образом, они представляют уникальную возможность для измерения и понимания физиологии и здоровья человека.

Волоконный компьютер содержит ряд микроустройств, включая датчики, микроконтроллер, цифровую память, модули Bluetooth, оптические коммуникации и аккумулятор, образуя все необходимые компоненты компьютера в одном эластичном волокне.

Исследователи добавили четыре волоконных компьютера к топу и паре леггинсов, причем волокна проходили вдоль каждой конечности. В их экспериментах каждый независимо программируемый волоконный компьютер управлял моделью машинного обучения, которая была обучена автономно распознавать упражнения, выполняемые носителем, что привело к средней точности около 70%.

Удивительно, но как только исследователи позволили отдельным волоконно-оптическим компьютерам общаться между собой, их коллективная точность возросла почти до 95%.

«Наши тела каждую секунду передают через кожу гигабайты данных в форме тепла, звука, биохимических веществ, электрических потенциалов и света, и все они несут информацию о нашей деятельности, эмоциях и здоровье. К сожалению, большая часть этой информации, если не вся, поглощается и затем теряется в одежде, которую мы носим», — говорит Йоэль Финк, профессор материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, главный исследователь Исследовательской лаборатории электроники (RLE) и Института солдатских нанотехнологий (ISN), а также старший автор статьи.

«Разве не было бы здорово, если бы мы могли научить одежду улавливать, анализировать, хранить и передавать эту важную информацию в виде ценных сведений о здоровье и активности?»

Использование волоконного компьютера для понимания состояния здоровья и предотвращения травм вскоре также подвергнется значительному испытанию в реальных условиях. Военнослужащие армии и флота США проведут месячную зимнюю исследовательскую миссию в Арктике, пройдя 1000 километров при средней температуре -40 градусов по Фаренгейту.

Десятки рубашек из мериносовой сетки с волоконными компьютерами будут предоставлять информацию в режиме реального времени о здоровье и активности людей, участвующих в этой миссии под названием Musk Ox II.

«В не столь отдаленном будущем оптоволоконные компьютеры позволят нам запускать приложения и получать ценные услуги здравоохранения и безопасности из простой повседневной одежды. Мы с нетерпением ждем возможности увидеть проблески этого будущего в предстоящей арктической миссии с помощью наших партнеров в армии США, ВМС и DARPA. Помощь в обеспечении безопасности наших военнослужащих в самых суровых условиях — это честь и привилегия», — говорит Финк.

К нему в работе присоединились соавторы Нихил Гупта, аспирант факультета материаловедения и инженерии; Генри Чунг Мэн; и Сьямантак Пайра, в настоящее время аспирант Стэнфордского университета; Джон Джоаннопулос, профессор физики имени Фрэнсиса Райта и директор Института солдатских нанотехнологий; а также другие специалисты из Массачусетского технологического института, Школы дизайна Род-Айленда и Университета Брауна.

Фокус на волокне

Волоконный компьютер создан на основе более чем десятилетней работы в лаборатории Fibers@MIT в RLE и поддерживался в первую очередь ISN. В предыдущей работе исследователи продемонстрировали методы включения полупроводниковых приборов , оптических диодов, запоминающих устройств, эластичных электрических контактов и датчиков в волокна, которые можно было бы формировать в ткани и одежду.

«Но мы уперлись в стену с точки зрения сложности устройств, которые мы могли бы встроить в волокно из-за того, как мы его делали. Нам пришлось переосмыслить весь процесс. В то же время мы хотели сделать его эластичным и гибким, чтобы оно соответствовало свойствам традиционных тканей», — говорит Гупта.

Одной из проблем, которую преодолели исследователи, является геометрическое несоответствие между цилиндрическим волокном и плоским чипом. Подключение проводов к небольшим проводящим областям, известным как контактные площадки, на внешней стороне каждого плоского микроустройства оказалось сложным и подверженным сбоям, поскольку сложные микроустройства имеют много контактных площадок, что затрудняет поиск места для надежного присоединения каждого провода.

В этой новой конструкции исследователи сопоставляют 2D-выравнивание контактных площадок каждого микроустройства с 3D-макетом, используя гибкую печатную плату, называемую интерпозером, которую они обернули в цилиндр. Они называют это конструкцией «маки». Затем они прикрепляют четыре отдельных провода к сторонам рулона «маки» и соединяют все компоненты вместе.

«Это достижение имело для нас решающее значение с точки зрения возможности интегрировать в оптоволокно вычислительные элементы с более высокой функциональностью, такие как микроконтроллер и датчик Bluetooth», — говорит Гупта.

Эту универсальную технологию складывания можно использовать с различными микроэлектронными устройствами, позволяя им приобретать дополнительные функциональные возможности.

Кроме того, исследователи изготовили новый волоконный компьютер, используя тип термопластичного эластомера, который в несколько раз более гибкий, чем термопластики, которые они использовали ранее. Этот материал позволил им сформировать машинно-стираемое эластичное волокно, которое может растягиваться более чем на 60 процентов без разрушения.

Они изготавливают волоконный компьютер с помощью процесса термической вытяжки, который группа Fibers@MIT впервые применила в начале 2000-х годов. Процесс включает создание макроскопической версии волоконного компьютера, называемой преформой, которая содержит каждое подключенное микроустройство.

Эту заготовку помещают в печь, расплавляют и вытягивают, чтобы сформировать волокно, которое также содержит встроенные литий-ионные батареи, чтобы оно могло питать себя самостоятельно.

«Бывшая участница группы, Жюльетт Марион, придумала, как создавать эластичные проводники, так что даже при растягивании волокна проводники не рвутся. Мы можем сохранять функциональность при его растягивании, что имеет решающее значение для таких процессов, как вязание, а также для одежды в целом», — говорит Гупта.

Вынесите голосование

После изготовления волоконного компьютера исследователи используют технику плетения, чтобы покрыть волокно традиционными нитями, такими как полиэстер, мериносовая шерсть, нейлон и даже шелк.

Помимо сбора данных о человеческом теле с помощью датчиков, каждый волоконный компьютер оснащен светодиодами и световыми датчиками, которые позволяют нескольким волокнам в одном предмете одежды обмениваться данными, создавая текстильную сеть, способную выполнять вычисления.

Каждый волоконно-оптический компьютер также оснащен системой связи Bluetooth для беспроводной передачи данных на устройство, например смартфон, с которого пользователь может их считать.

Исследователи использовали эти системы связи для создания текстильной сети, вшив четыре волоконных компьютера в одежду, по одному в каждый рукав. Каждое волокно управляло независимой нейронной сетью, обученной распознавать такие упражнения, как приседания, планки, круговые движения руками и выпады.

«Мы обнаружили, что способность волоконного компьютера определять активность человека была точна лишь на 70 процентов, если он был расположен на одной конечности, руке или ноге. Однако, когда мы позволили волокнам, расположенным на всех четырех конечностях, «голосовать», они в совокупности достигли почти 95-процентной точности, что демонстрирует важность размещения на нескольких участках тела и формирования сети между автономными волоконными компьютерами, которым не нужны провода и межсоединения», — говорит Финк.

В дальнейшем исследователи планируют использовать технологию интерпозера для включения дополнительных микроустройств.

Арктические идеи

В феврале многонациональная команда, оснащенная вычислительными тканями, отправится в 30-дневное путешествие на расстояние в 1000 километров по Арктике. Ткани помогут обеспечить безопасность команды и подготовят почву для будущих физиологических моделей «цифрового двойникования».

«Как руководитель с более чем десятилетним опытом работы в Арктике, я больше всего беспокоюсь о том, как уберечь свою команду от изнурительных травм, вызванных холодом, — основной угрозы для операторов в условиях экстремального холода. Обычные системы просто не дают мне полной картины. Мы будем носить базовый слой вычислительной ткани на себе 24/7, чтобы лучше понимать реакцию организма на экстремальный холод и в конечном итоге прогнозировать и предотвращать травмы», — говорит майор армии США Хефнер, командир Musk Ox II.

Карл Фридл, старший научный сотрудник по физиологии производительности армии США, отметил, что технология программируемой вычислительной ткани Массачусетского технологического института может стать «переломным моментом в повседневной жизни».

«Представьте себе в недалеком будущем волоконные компьютеры в тканях и одежде, которые будут распознавать окружающую среду и физиологическое состояние человека и реагировать на них, повышая комфорт и производительность, обеспечивая мониторинг здоровья в режиме реального времени и защиту от внешних угроз», — говорит Фридл.

«Солдаты станут первыми пользователями и бенефициарами этой новой технологии, интегрированной с системами искусственного интеллекта, использующими прогностические физиологические модели и соответствующие миссии инструменты для повышения выживаемости в суровых условиях.

«Сближение классических волокон и тканей с вычислениями и машинным обучением только началось. Мы изучаем это захватывающее будущее не только с помощью исследований и полевых испытаний, но и, что важно, в рамках курса «Вычислительные ткани» на кафедре материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, который читает профессор Анаис Миссакян из Школы дизайна Род-Айленда», — добавляет Финк.