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想想看，如果把一臺(tái)能夠運(yùn)行模型的計(jì)算機(jī)穿在身上，會(huì)是一種什么樣的體驗(yàn)？它不僅能全天候監(jiān)測(cè)健康狀況和身體活動(dòng)，還能預(yù)測(cè)潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)，聽(tīng)起來(lái)就像科幻電影中的場(chǎng)景，但實(shí)際上，麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)將其變成了現(xiàn)實(shí)。

最近，他們研發(fā)出了一種外觀類似于彈性纖維的自主可編程計(jì)算機(jī)，這種設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)追蹤（穿戴者）的健康狀態(tài)和身體運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)提醒預(yù)防潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)。

據(jù)研究人員介紹，這種纖維計(jì)算機(jī)穿著舒適，幾乎不會(huì)讓人感到不適，并且還能進(jìn)行 Machine Learning 模型的訓(xùn)練和推理。目前，這項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表在《自然》雜志上。

與傳統(tǒng)的“可穿戴設(shè)備”（通常只能監(jiān)測(cè)身體的某一點(diǎn)位，如胸部、手腕或手指）不同，這種纖維計(jì)算機(jī)能大面積接觸身體，靠近重要器官，為更全面地監(jiān)測(cè)人體生理和健康狀態(tài)提供了前所未有的機(jī)會(huì)。

“我們的身體通過(guò)皮膚以熱量、聲音、電勢(shì)、生化信號(hào)等形式，每秒向外傳輸數(shù)千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著我們的活動(dòng)、情緒和健康信息。遺憾的是，這些數(shù)據(jù)信號(hào)絕大多數(shù)（幾乎是全部）都被衣服吸收并丟失了。因此，我們想直接利用衣服來(lái)捕捉、分析、存儲(chǔ)并傳送這些重要的健康信號(hào)?！边@篇論文的通訊作者、麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程教授 Yoel Fink 解釋道。

這種纖維計(jì)算機(jī)內(nèi)置了多個(gè)微型設(shè)備，包括傳感器、微控制器、藍(lán)牙模塊、光通信組件、數(shù)字存儲(chǔ)器以及電池等，并將所有必要的部件整合在一根彈性纖維中。

每臺(tái)可獨(dú)立編程的纖維計(jì)算機(jī)運(yùn)行著一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，該模型經(jīng)過(guò)訓(xùn)練并用于自動(dòng)識(shí)別穿戴者的運(yùn)動(dòng)，前期實(shí)驗(yàn)顯示平均準(zhǔn)確率可達(dá)到 70%。研究人員將四根這種纖維計(jì)算機(jī)分別嵌入到上衣和褲子中，每根纖維沿著四肢延伸。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將各個(gè)纖維計(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)后，它們的整體準(zhǔn)確率提升至近 95%。

“在不久的將來(lái)，這種可穿在身上的‘光纖計(jì)算機(jī)’能隨時(shí)隨地運(yùn)行應(yīng)用程序，不僅可以幫助我們理解并預(yù)防健康問(wèn)題，還將在日常生活中提供健康管理服務(wù)。”Fink 表示，“我們很期待在即將到來(lái)的一項(xiàng)任務(wù)中提前感受這一未來(lái)場(chǎng)景，讓‘光纖計(jì)算機(jī)’在極其惡劣的環(huán)境中保護(hù)研究人員的安全。”

據(jù)研究人員介紹，一個(gè)跨國(guó)團(tuán)隊(duì)將在北極進(jìn)行為期一個(gè)月的研究任務(wù)（Musk Ox II），在平均氣溫零下 40℃ 的環(huán)境下行程長(zhǎng)達(dá) 1,000 公里。他們開(kāi)發(fā)的數(shù)十件內(nèi)置光纖計(jì)算機(jī)的襯衫將為參與該任務(wù)的成員提供實(shí)時(shí)健康和活動(dòng)信息監(jiān)測(cè)。

這篇研究論文的合作者還包括麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程研究生 Nikhil Gupta、Henry Cheung；麻省理工學(xué)院物理學(xué) Francis Wright 講席教授 John Joannopoulos；斯坦福大學(xué)研究生 Syamantak Payra，以及其他來(lái)自羅得島設(shè)計(jì)學(xué)院和布朗大學(xué)的研究人員。

光纖計(jì)算機(jī)集成到衣物中

實(shí)際上，這種光子集成裝置的研發(fā)基于麻省理工學(xué)院的 RLE Fibers@MIT 實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)達(dá)十年的深入研究。此前，研究團(tuán)隊(duì)展示了如何將半導(dǎo)體器件、光學(xué)二極管、存儲(chǔ)單元、彈性電觸點(diǎn)和傳感器集成到可加工成織物和服裝纖維中的方法。

由于制造工藝的限制，我們目前無(wú)法將集成到光纖中的設(shè)備復(fù)雜度提升到一個(gè)更高的水平，因此不得不重新審視整個(gè)設(shè)計(jì)流程。我們希望這種裝置既能保持彈性和柔韌性，又能與傳統(tǒng)面料的特性相協(xié)調(diào)。

研究人員面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，圓柱形光纖與平面芯片之間存在不匹配的問(wèn)題。換句話說(shuō)，要在每個(gè)平面微器件外部的小導(dǎo)電區(qū)域（焊盤）與光纖的復(fù)雜微器件之間建立可靠的連接通道，這是一項(xiàng)極具難度的工作。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)采用了我們稱之為“maki”設(shè)計(jì)的方法。他們使用了一種特殊的柔性電路板，將每個(gè)微器件的二維焊盤按照三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局和對(duì)齊映射，然后將其卷成一個(gè)圓柱體。這種設(shè)計(jì)方式能夠?qū)⒐δ芨鼜?qiáng)大的計(jì)算元件（如微控制器和藍(lán)牙傳感器）集成到光纖中。

該團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人表示，“這一創(chuàng)新對(duì)于我們來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗刮覀兡軌驅(qū)⒏鼜?qiáng)大的計(jì)算功能集成到光纖中?！彼麄兿Ｍㄟ^(guò)這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)微電子設(shè)備的多功能折疊設(shè)計(jì)。

值得注意的是，這種多功能折疊技術(shù)不僅限于用于光子集成裝置，還可以擴(kuò)展應(yīng)用到各種微電子設(shè)備上，賦予它們更多的功能。研究團(tuán)隊(duì)希望未來(lái)能利用這一技術(shù)集成更多的微電子器件。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種新型熱塑性彈性體，其柔韌性是傳統(tǒng)熱塑性塑料的數(shù)倍。這種材料使得他們能夠制造出既可以機(jī)洗又具有良好彈性的纖維，其拉伸性能超過(guò)60%后仍能保持完好。

該研究團(tuán)隊(duì)采用麻省理工學(xué)院的“熱拉工藝”來(lái)制造光子集成裝置。這種方法首先用于制作光子集成裝置的大型原型（成品棒），然后將每個(gè)集成好的微設(shè)備都包含在內(nèi)。接著，他們將成品棒掛在高溫爐中熔化并拉伸，最終制成用于服裝制作的纖維，這些纖維中還集成有鋰離子電池，使其能夠自行供電。

研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人補(bǔ)充道，“我們從團(tuán)隊(duì)成員 Juliette Marion 處了解到，即使在纖維被拉伸的情況下，導(dǎo)體也不會(huì)斷裂。因此，在拉伸纖維的過(guò)程中，我們?nèi)阅鼙３謱?dǎo)體的功能性。這對(duì)于針織工藝以及普通服裝的制作都非常關(guān)鍵?！?/p>

通過(guò)該方法，研究人員不僅解決了復(fù)雜設(shè)備集成的問(wèn)題，還顯著提升了光纖的柔韌性和耐用性，使其更適合日常穿著的應(yīng)用場(chǎng)景。

光纖計(jì)算機(jī)完成后，研究人員將其包裹在聚酯纖維、羊毛、尼龍、絲綢等傳統(tǒng)紗線中，形成新的紡織結(jié)構(gòu)。

除了通過(guò)傳感器收集人體數(shù)據(jù)，每臺(tái)光纖計(jì)算機(jī)還集成LED和光傳感器，實(shí)現(xiàn)光纖間的通信，形成可執(zhí)行計(jì)算的紡織網(wǎng)絡(luò)。

每臺(tái)光纖計(jì)算機(jī)配備了藍(lán)牙無(wú)線通信系統(tǒng)，可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至智能手機(jī)等設(shè)備，方便穿戴者查看。

研究人員通過(guò)利用這些通信系統(tǒng)，將四根光纖計(jì)算機(jī)縫入一件衣物（每根縫入一個(gè)袖子）中，建立一個(gè)紡織網(wǎng)絡(luò)，每根光纖獨(dú)立運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后可識(shí)別深蹲、平板支撐等動(dòng)作。

Fink指出，當(dāng)光纖計(jì)算機(jī)位于單個(gè)肢體時(shí)，識(shí)別人體活動(dòng)的準(zhǔn)確率約為70%。但當(dāng)四個(gè)肢體協(xié)同運(yùn)作時(shí)，整體準(zhǔn)確率可達(dá)到近95%。這凸顯了在多個(gè)身體區(qū)域部署光纖計(jì)算機(jī)的價(jià)值。

在北極地區(qū)展開(kāi)實(shí)地試驗(yàn)

今年2月，一支由多國(guó)成員組成的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)將踏上一段具有里程碑意義的旅程：在北極地區(qū)展開(kāi)為期30天、行程長(zhǎng)達(dá)1,000公里的極地探險(xiǎn)。

這種新型“計(jì)算織物”不僅在人身安全方面具有保障作用，還為開(kāi)發(fā)未來(lái)的生理“數(shù)字孿生”模型奠定了基礎(chǔ)。

該項(xiàng)目指揮官、美國(guó)陸軍少校Mathew Hefner表示，“作為一名在極端寒冷環(huán)境下有十多年行動(dòng)經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者，我最關(guān)注的問(wèn)題之一就是如何保護(hù)團(tuán)隊(duì)免受寒冷天氣的傷害，這在極地操作中是首要挑戰(zhàn)?！?/p>

傳統(tǒng)織物無(wú)法提供完整的生理數(shù)據(jù)。此次，我們將全程穿戴這種"計(jì)算織物"，以更深入地了解身體在極端寒冷環(huán)境下的反應(yīng)機(jī)制，從而有效預(yù)防受傷。他進(jìn)一步解釋道。

麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的這種可編程計(jì)算織物技術(shù)，被美國(guó)陸軍環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所高級(jí)研究科學(xué)家Karl Friedl 稱為"改變?nèi)粘Ｉ畹母锩约夹g(shù)"。

"想象一下，未來(lái)織物和服裝中的光纖計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)感知環(huán)境和個(gè)人生理狀態(tài)，提升舒適度和活動(dòng)表現(xiàn)，進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，還能抵御外部威脅。通過(guò)結(jié)合AI預(yù)測(cè)生理模型和任務(wù)相關(guān)工具，其在惡劣環(huán)境下的生存能力將進(jìn)一步提升。"Friedl 表示。

目前，這項(xiàng)技術(shù)雖然在實(shí)驗(yàn)室階段還處于起步階段，但在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大潛力，正如Fink 所言。

"我們不僅通過(guò)研究和實(shí)地測(cè)試來(lái)探索這一令人興奮的未來(lái)，還在麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系"計(jì)算織物"課程中進(jìn)行了深入探討。這門課由羅得島設(shè)計(jì)學(xué)院的Anais Missakian 教授共同授課，旨在激發(fā)下一代創(chuàng)新者對(duì)這一領(lǐng)域的研究興趣。"他說(shuō)道。

https://news.mit.edu/2025/fiber-computer-allows-apparel-to-run-apps-and-understand-wearer-0226