Υπολογιστής από ίνες θα μπορούσε μια μέρα να παρακολουθεί την υγεία μας

Φανταστείτε να βγαίνετε για τρέξιμο ντυμένοι με αθλητικό εξοπλισμό με αισθητήρες και μικροηλεκτρονικά υφασμένα μέσα στις ίδιες τις ίνες για να παρακολουθούν συνεχώς τα ζωτικά σας σημεία, ακόμη και να τρέχουν περιστασιακά την εφαρμογή. Οι ερευνητές του MIT κατασκεύασαν έναν υπολογιστή από μία μόνο ίνα με ενσωματωμένα όλα τα εξαρτήματα για να κάνουν ακριβώς αυτό.

«Το σώμα μας εκπέμπει gigabytes δεδομένων μέσω του δέρματος κάθε δευτερόλεπτο με τη μορφή θερμότητας, ήχου, βιοχημικών ουσιών, ηλεκτρικών δυναμικών και φωτός, τα οποία μεταφέρουν πληροφορίες σχετικά με τις δραστηριότητες, τα συναισθήματα και την υγεία μας», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Yoel Fink, επιστήμονας υλικών και μηχανικός στο MIT. «Δυστυχώς, τα περισσότερα, αν όχι όλα, απορροφώνται και στη συνέχεια χάνονται στα ρούχα που φοράμε. Δεν θα ήταν υπέροχο αν μπορούσαμε να διδάξουμε στα ρούχα να συλλαμβάνουν, να αναλύουν, να αποθηκεύουν και να επικοινωνούν αυτές τις σημαντικές πληροφορίες με τη μορφή πολύτιμων πληροφοριών για την υγεία και τη δραστηριότητα;»

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι καταναλωτές αγόρασαν περισσότερες από 100 εκατομμύρια τέτοιων φορητών συσκευών όπως smartwatches, fitness trackers, γυαλιά επαυξημένης πραγματικότητας και παρόμοιες τεχνολογίες μόνο το πρώτο τρίμηνο του 2021. Οι πωλήσεις της κατηγορίας αυξήθηκαν κατά 34,4% το δεύτερο τρίμηνο από το δεύτερο τρίμηνο του 2020, καθιστώντας την μία από τις ταχύτερα αναπτυσσόμενες κατηγορίες προσωπικών ηλεκτρονικών συσκευών. Αλλά ενώ αυτές οι συσκευές παράγουν χρήσιμα δεδομένα, υπάρχουν και μειονεκτήματα. Μπορεί να είναι βαριές, άβολες όταν φοριούνται για μεγάλο χρονικό διάστημα και ανακριβείς, καθώς συνήθως μετρούν σωματικά σήματα μόνο από ένα σημείο (π.χ. τον καρπό, το στήθος ή το δάχτυλο).

Αντίθετα, ένας υπολογιστής από ίνες υφασμένος σε ρούχα θα μπορούσε να παρακολουθεί αισθητήρες και να συλλέγει δεδομένα από πολλά σημεία κατανεμημένα σε όλο το σώμα, σύμφωνα με τους συγγραφείς. Το 2021, η ομάδα του Fink δημιούργησε με επιτυχία την πρώτη ίνα, ραμμένη σε ένα πουκάμισο, με τη δυνατότητα να ανιχνεύει ψηφιακά, να αποθηκεύει και να αναλύει τη δραστηριότητα ενός ατόμου. Μέχρι τότε, οι ηλεκτρονικές ίνες ήταν αναλογικές. Εκατοντάδες τετράγωνα μικροτσίπ πυριτίου ενσωματώθηκαν σε ένα πολυμερές πρόπλασμα για τη δημιουργία της ίνας, και ελέγχοντας τη ροή του πολυμερούς κατά τη διάρκεια της κατασκευής, η ομάδα κατάφερε να εξασφαλίσει συνεχή ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ των μικροτσίπ σε μια ίνα μήκους δεκάδων μέτρων.

Η προκύπτουσα ίνα είναι λεπτή, εύκαμπτη, ράβεται εύκολα σε υφάσματα και πλένεται και θα μπορούσε να ενσωματώσει οπτικές διόδους, μονάδες μνήμης, αισθητήρες και άλλα εξαρτήματα. Ως απόδειξη της αρχής, η ομάδα του Fink αποθήκευσε ένα αρχείο ταινίας μικρού μήκους 767 kilobit και ένα αρχείο μουσικής 0,48 megabyte στην ίνα, οραματιζόμενοι μια μέρα που θα μπορούσε κανείς να αποθηκεύσει τη λίστα αναπαραγωγής της προπόνησης του στα ρούχα που φορά.

Όμως, η προηγούμενη αυτή ίνα περιοριζόταν σε αρκετά απλές συσκευές που μπορούσαν να ενσωματωθούν και δεν ήταν τόσο ελαστική και εύκαμπτη όσο τα πραγματικά υφάσματα. Έτσι, ο Fink και οι συνεργάτες του αποφάσισαν να επανεξετάσουν την προσέγγισή τους. Αντιμετώπισαν ιδιαίτερα αυτό που περιγράφουν ως «γεωμετρική αναντιστοιχία»: Η ίνα είναι κυλινδρική αλλά τα τσιπ είναι επίπεδα, γεγονός που καθιστά δύσκολη την εξεύρεση επαρκούς χώρου για τη σύνδεση καλωδίων με αγώγιμες περιοχές σε πιο σύνθετες μικροσυσκευές.

Η ομάδα του Fink μπόρεσε να χαρτογραφήσει τα 2D pads σε μια 3D διάταξη με μια εύκαμπτη πλακέτα κυκλώματος, τυλιγμένη σε έναν κύλινδρο. Αυτό τους επέτρεψε να συνδέσουν τέσσερα καλώδια στις πλευρές αυτού του κυλίνδρου, προκειμένου να συνδέσουν όλα τα εξαρτήματα: αισθητήρες, microcontroller, μονάδες bluetooth, ψηφιακή μνήμη, μπαταρία και ένα οπτικό σύστημα επικοινωνίας που μπορεί να στείλει τα συλλεχθέντα δεδομένα ασύρματα σε ένα smartphone. Χρησιμοποίησαν ένα θερμοπλαστικό ελαστομερές για να κάνουν τον υπολογιστή με ίνες που προέκυψε πιο ελαστικό, ικανό να τεντωθεί έως και 60%, διατηρώντας παράλληλα τη λειτουργικότητά του.

Στη συνέχεια, ο υπολογιστής ινών καλύφθηκε με πλεκτά νήματα (πολυεστέρα, μαλλί, νάιλον ή μετάξι) και ενσωματώθηκε σε ένα ζευγάρι κολάν. Κάθε ίνα είχε το δικό της μοντέλο μηχανικής μάθησης που εκπαιδεύτηκε για να αναγνωρίζει τις ασκήσεις που εκτελούνται με ακρίβεια έως και 70%. Αυτή η μέση ακρίβεια αυξήθηκε σε σχεδόν 95% όταν οι μεμονωμένες ίνες συνδέθηκαν σε ένα δίκτυο για να επικοινωνούν και να μοιράζονται δεδομένα.

Ο υπολογιστής από ίνες δοκιμάζεται προς το παρόν στο πεδίο από πολυεθνική ομάδα με επικεφαλής τον ταγματάρχη του αμερικανικού στρατού Hefner. Περνούν 30 ημέρες ταξιδεύοντας 1000 χιλιόμετρα σε ψυχρές αρκτικές συνθήκες στο πλαίσιο της αποστολής Musk Ox II. Όλα τα μέλη της ομάδας φορούν υπολογιστικά υφάσματα βάσης για να παρακολουθούν την αντίδραση του σώματός τους στο ακραίο κρύο. Είναι νωρίς ακόμα, αλλά ο μακροπρόθεσμος στόχος είναι η ενσωμάτωση υπολογιστών ινών σε ενδύματα που μπορούν να αντιλαμβάνονται και να ανταποκρίνονται στις αλλαγές του περιβάλλοντος και της ατομικής φυσιολογίας.

Η μελλοντική έρευνα θα επικεντρωθεί στη δημιουργία νανοκατασκευασμένων προσαρμοσμένων μικροσυσκευών με ενισχυμένες υπολογιστικές δυνατότητες.

[via]