В повседневной жизни мы стали больше пользоваться «умной» электроникой. Есть даже шутка о том, что прежде чем выйти из дома, надо подзарядить смартфон, ноутбук, наушники, гироскутер или самокат (может и электромобиль), а также вейп, часы, «умные очки», колонку и даже «умные кроссовки». Но инженеры Массачусетского технологического института решили на этом не останавливаться и хотят добавить к этому списку ещё и «умную одежду». Они объявили, что успешно разработали программируемое волокно. Когда-нибудь кто-то напишет в объяснительной, что опоздал на работу потому, что забыл поставить на зарядку «умные трусы».

Ну а если без шуток, то это нововведение может быть полезной и поможет раскрыть некоторую ранее неизвестную информацию о человеческом теле. Работа представляет собой первую реализацию ткани со способностью хранить и обрабатывать данные в цифровом виде, позволяя буквально программировать ткани. Это возможность реализовать цифровые устройства в волоконной нити, которая может не только измерять и хранить физиологические параметры, но также поддерживать нейронные сети, необходимые для вывода сенсорных данных. А это в свою очередь, открывает интригующие возможности для тканей, которые распознают, запоминают, учатся и определяют ситуационный контекст.

«Умную» ещё надо распознать

«Умной» в настоящее время называют не всегда ту одежду, соответствующую этому определению. Помимо специальных медицинских или военных костюмов, которые действительно могут отслеживать состояние человека и окружающей среды и обрабатывать эту информацию, эпитет «умная» в прессе может применяться и к одежде, которая служит лишь платформой для крепления электроники, например, к курткам со вшитыми плейерами.

Куртка со вшитым карманом для мобильного телефона не становится „умной“. „Умная“ одежда должна добавлять предмету гардероба какие-то нехарактерные для одежды свойства, так, чтобы при этом не нарушались её обычные функции, например, чтобы одежду при этом можно было стирать и носить. В идеале, „умная“ одежда предоставляет необычные для одежды свойства, такие как слежение за состоянием здоровья, в дополнение к традиционной функции одежды защищать тело от влияния внешней среды. Такая одежда может, например, собирать данные и либо автоматически передавать их по беспроводной связи на внешний компьютер, либо обрабатывать самостоятельно, и реагировать на результаты вычислений без вмешательства пользователя».



Е-ткани (известны также под термином «электронная ткань» или «умная ткань») — вид текстиля, содержащий электронику (включая небольшие компьютеры), и в котором применены цифровые технологии. Многие виды высокотехнологичной, умной одежды, а также технологии, которые применяются при её производстве, содержат электронный текстиль.

До сих пор электронные волокна были аналоговыми — передающими непрерывный электрический сигнал, — а не цифровыми, где информацию можно кодировать и обрабатывать с помощью дискретных битов 0 и 1. Новое волокно было создано путем помещения сотен кремниевых микросхем в преформу, которая затем использовалась для создания полимерного волокна. Исследователи смогли создать волокно с непрерывным электрическим соединением между чипами на протяжении десятков метров. Само волокно тонкое и гибкое, его можно пропускать через иглу, вшивать в ткань и стирать не менее 10 раз без потери информации, хранящейся в памяти. В пределах 1 метра волокна может храниться 767 килобит информации.


Запись и считывание двоичной информации: для первоначально термически вытянутого волокна (тактовая частота: 100 кГц), после 10 циклов стирки (тактовая частота: 100 кГц) и после изгиба волокна с радиусом кривизны 12 мм (тактовая частота: 300 кГц).

Дизайнеры в шоке

Разработка представляет собой первую реализацию ткани, способной хранить и обрабатывать данные в цифровом виде, добавляя новое измерение содержания информации к текстилю и позволяя буквально программировать ткани. Отдельными элементами на протяжении волокна можно управлять из одной точки на конце волокна. Ткань из таких волокон можно использовать для мониторинга физической работоспособности, медицинских заключений и раннего обнаружения заболеваний.

По словам исследователей, добавление в волокно компонента искусственного интеллекта еще больше увеличивает его возможности. Ткани с цифровыми компонентами могут со временем собирать информации по всему телу, предоставляя данные, которые можно использовать для алгоритмов машинного обучения. Благодаря аналитической способности волокна когда-нибудь смогут обнаруживать и предупреждать людей в режиме реального времени об изменениях здоровья, таких как снижение функции дыхания или нерегулярное сердцебиение, а также передавать данные о работе мышц или частоте сердечных сокращений спортсменов во время тренировок.

Новые волокна имеют ряд отличительных характеристик по сравнению с предыдущими разработками:

1. Введение цифровых компонентов в гибкую прядь полимерного волокна.
2. Снятие ограничений на использование одного волокна и одного устройства, чтобы одно волокно могло обеспечивать масштабируемое множество различных адресуемых цифровых функций.
3. Открыт доступ к устройствам (внутренним по отношению к оптоволокну) через единственный соединительный порт на окончании оптоволокна.
4. Сенсорные данные, собранные волокном, сохраняются в самом волокне.
5. В волокне хранятся не только сенсорные данные, но и нейронная сеть, обученная выводить из данных контекст.

Однородные токопроводящие шины, подключенные к устройствам, встроенным по всей длине волокна, позволяют сократить количество дискретных электрических соединений, которые являются основным источником механической и электрической уязвимости. Для создания такого волокна сотни кремниевых микросхем помещаются в пазы внутри полимерной заготовки. Каждая микросхема размещается под углом 26,56 ° по отношению к оси волокна. Этот определенный угол обеспечивает индивидуальное подключение четырех копланарных и коаксиальных вольфрамовых проводов (диаметром 25 мкм) к четырем отдельным портам питания и сигнала на каждой микросхеме.


a — Термическое вытягивание преформы цифрового волокна путем подачи токопроводящей вольфрамовой проволоки в пустые каналы. b — Схематическое изображение преформы (PMMA — полиметилметакрилат, PC — поликарбонат). c — Схема вытянутого волокна. d — Непрерывное цифровое волокно со 100 встроенными устройствами. e — Иллюстрация термически вытянутого цифрового волокна, содержащего микросхемы с различными функциями, такими как память или считывание.

Каждый из чипов представлен уникальным и различным цифровым адресом в шестнадцатеричном формате (0xNN). Четыре провода в оптоволокне выполняют разные функции: сигнальная линия для обмена данными между оптоволоконными устройствами, линия синхронизации для регулирования сигналов связи, линия заземления и линия электропередачи. Backing wire, дополнительная проволока (50 мкм) подается под основу устройства в качестве опоры для выравнивания устройств по длине волокна. Этот провод обеспечивает механическую опору для устройств в волокне и не имеет электрического контакта с устройством. Двойной подход, состоящий из комбинации мягкого и твердого полимера и несущего провода, обеспечивает надежные электрические контакты между проводами и устройством.

Посылая уникальную последовательную комбинацию цифровых 1 и 0, можно «включать» устройство с правильным совпадающим цифровым адресом вдоль оптоволокна. Для этого внедрили в оптоволокно протокол цифровой адресации I?C. С помощью этого протокола несколько волоконно-оптических устройств могут использовать одни и те же четыре электрода из вольфрамовой проволоки, но, имея разные цифровые адреса, они логически изолированы друг от друга.



a — Индивидуальная цифровая адресация различных устройств в оптоволокне. b — Цифровое волокно проведенное (i) через иглу, (ii) в рукаве свитера и (iii) в ткани на хлопковой основе.

Волокно с цифровой памятью имеет несколько преимуществ по сравнению с предыдущими исследованиями (аналоговыми):

• 1. Для переключения нуля на единицу требуется всего 3,3 В, при этом потребляемая мощность во время записи и чтения новой информации составляет 5,5 мВт по сравнению с 475 мВт в аналоговой памяти.
• 2. Возможность иметь больше памяти в одной нити волокна. Например, видео и аудио успешно хранились в тестовом оптоволокне в течение 2 месяцев без питания.

Попробуй быть «умной» без ИИ

Волокно также делает несколько шагов вперед в развитии искусственного интеллекта, включая в память волокна нейронную сеть из 1650 соединений. Пришив его к подмышке рубашки, исследователи использовали волокно, чтобы собрать 270 минут данных о температуре поверхности тела человека, носящего рубашку, и проанализировать, как эти данные соотносятся с различными физическими нагрузками. Обученное на этих данных, волокно смогло определить с точностью 96%, чем занимается человек, носящий его.

По словам исследователей, добавление в волокно компонента искусственного интеллекта ещё больше увеличивает его возможности. Ткани с цифровыми компонентами могут со временем собирать много информации по всему телу, и эти «богатые данные» идеально подходят для алгоритмов машинного обучения.

Благодаря этой аналитической способности волокна когда-нибудь смогут обнаруживать и предупреждать людей в режиме реального времени об изменениях здоровья, таких как снижение дыхания или нерегулярное сердцебиение, или передавать данные об активации мышц или частоте пульса спортсменам во время тренировок.

Волокно управляется небольшим внешним устройством, поэтому следующим шагом будет разработка нового чипа в качестве микроконтроллера, который может быть подключен к самому волокну. Когда это будет сделано, это можно назвать «оптоволоконным компьютером».

Это исследование было поддержано Институтом солдатских нанотехнологий армии США, Национальным научным фондом, Исследовательским офисом армии США, Морским грантом Массачусетского технологического института и Агентством по уменьшению угрозы Министерства обороны США.

Носимые устройства долгое время считались будущим умных технологий. То, что раньше было индустрией наручных часов и гарнитур, постепенно превращается в индустрию умного текстиля.

По большей части современные носимые устройства все ещё остаются довольно нишевым продуктом. Конечно, фитнес-трекеры распространились по всему обществу, но сколько вы знаете людей, которые используют умные очки или продолжают носить свои фитнес-трекеры даже после того, как купят их (около 30 процентов людей, которые их покупают, в конечном итоге перестают их носить)? Это недоиспользование говорит о том, что современной индустрии носимых устройств ещё предстоит пройти долгий путь, пока их преимущества не перевесят их неудобства — и смарт-текстиль один из путей.

---

На правах рекламы

Облачный хостинг для всех! Дешёвые VDS на базе новейших процессоров от AMD и Intel, хранилище на основе NVMe дисков с тройным резервированием. Наши услуги подойдут для размещения проектов любой сложности, от корпоративных сетей и игровых проектов до лендингов и VPN. Вы можете создать собственную конфигурацию сервера в пару кликов!

Подписывайтесь на наш чат в Telegram.