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想象一下，將一臺能夠實時運行模型的計算機穿在身上是一種什么樣的體驗？它不僅能全天候監(jiān)測身體狀況和活動水平，還能預測潛在的健康風險。這種未來場景聽起來像是科幻電影的設定，但麻省理工學院的研究人員已經(jīng)將其變?yōu)楝F(xiàn)實。

最近，麻省理工學院研發(fā)了一種外觀類似彈性纖維的自主可編程計算機，這種設備能夠實時監(jiān)測穿戴者的健康狀態(tài)和身體運動，并通過手機提醒潛在的健康風險。

研究人員表示，這種設計的服裝不僅舒適，而且能夠輕松洗滌。目前，這項研究成果已在《自然》雜志上發(fā)表。

與傳統(tǒng)的“可穿戴設備”（通常只能監(jiān)測身體某一點位）不同，這種“服裝式”設備能夠大面積接觸身體，接近重要器官，從而為全面監(jiān)測人體生理和健康狀態(tài)提供了前所未有的機會。

“我們的身體通過皮膚以熱量、聲音、電勢、生化信號等形式，每秒向外傳輸數(shù)千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)蘊含著我們的活動、情緒和健康信息。遺憾的是，這些數(shù)據(jù)信號絕大多數(shù)（幾乎是全部）都被衣服吸收并丟失了。因此，我們希望利用衣服來捕捉、分析、存儲和傳輸這些重要的健康信號?！边@篇論文的通訊作者、麻省理工學院材料科學與工程教授 Yoel Fink 解釋道。

這種設計的服裝內(nèi)置了多個微型設備，包括傳感器、微控制器、藍牙模塊、光通信組件、數(shù)字存儲器和電池等，并將所有必要的部件集成在一根彈性纖維中。

每個可獨立編程的纖維計算機運行著一個機器學習模型，經(jīng)過訓練后用于自動識別穿戴者的運動。前期實驗顯示，平均準確率達到了70%。研究人員將四根這種纖維計算機分別嵌入到上衣和褲子中，每根纖維沿著四肢延伸。通過實驗發(fā)現(xiàn)，將各個纖維計算機互聯(lián)后，整體準確率提升至近95%。

“在不久的將來，這種可穿在身上的‘光纖計算機’不僅能隨時隨地運行應用程序，還能幫助我們理解并預防健康問題，同時為日常生活中提供健康管理服務?！盕ink 表示，“我們非常期待在一項任務中提前感受這一未來場景，讓‘光纖計算機’在極其惡劣的環(huán)境中保護研究人員的安全?！?/p>

研究人員表示，一個跨國團隊將在北極進行為期一個月的研究任務（Musk Ox II），在平均氣溫零下40℃的環(huán)境下行程長達1,000公里。他們開發(fā)的數(shù)十件內(nèi)置光纖計算機的襯衫將為參與該任務的成員提供實時健康和活動信息監(jiān)測。

這篇研究論文的合作者還包括麻省理工學院材料科學與工程研究生 Nikhil Gupta、Henry Cheung；麻省理工學院物理學講席教授 John Joannopoulos；斯坦福大學研究生 Syamantak Payra，以及其他來自羅得島設計學院和布朗大學的研究人員。

光纖集成進了服裝面料

實際上，這種光纖集成計算機的研發(fā)，建立在 RLE Fibers@MIT 實驗室長達數(shù)年的研究基礎上。此前，研究團隊展示了如何將半導體器件、光學二極管、存儲單元、彈性電觸點和傳感器集成進可織織物和纖維材料中的方法。

但是，由于制造工藝的限制，我們無法在光纖中集成過于復雜的設備，所以我們不得不重新思考整個設計流程。同時，我們希望它能具備彈性和柔韌性，與傳統(tǒng)面料的特性相匹配。Gupta 表示。

研究人員面臨的一個主要挑戰(zhàn)，是圓柱形光纖與平面芯片之間的不匹配問題。換言之，給每個平面微器件外部的小導電區(qū)域（焊盤）連接電線極其困難，而且容易出現(xiàn)故障，因為復雜的微器件焊盤眾多，很難找到足夠空間來可靠連接每根導線。

在這項新研究中，他們采用了名為“中介層”的柔性電路板，將每個微器件的二維焊盤按三維結構布局對齊映射，然后將其卷成一個圓柱體，他們將其命名為“maki”；緊接著，他們在“maki”卷的側面連接四根獨立導線，并將所有組件連接在一起。

從我們團隊的視角來看，這一進展意義重大，因為它讓我們能將功能更強大的計算元件（比如微控制器和藍牙傳感器）集成到光纖中。Gupta 解釋道。

值得一提的是，這種多功能折疊技術可以應用到多種微電子設備上，賦予它們更多新的功能。研究人員希望借助這種技術集成更多微電子器件。

此外，研究人員采用了新型熱塑性彈性體來制造這種光纖計算機，其柔韌性是之前所用熱塑性塑料的數(shù)倍。這種材料讓他們能夠制造出可機洗、彈性好的纖維，拉伸超過 60% 也不會損壞。

研究團隊采用了 Fibers@MIT 團隊早先開創(chuàng)的“熱拉工藝”來制造光纖計算機。借助該工藝，他們首先制作光纖計算機的宏觀版本（預制棒），將每個連接好的微設備都包含其中；接下來，把預制棒掛在高溫爐里熔化并拉伸，制成的纖維中還嵌入了鋰離子電池，使其能夠自行供電。

吉ulette Marion 找到了制造彈性導體的方法，即便拉伸纖維，導體也不會斷裂。因此，在拉伸纖維時仍可保持功能，這一點對針織工藝以及普通服裝制作都非常重要。Gupta 表示。

通過這一突破性解決方案，研究人員不僅實現(xiàn)了復雜設備的集成，還顯著提升了光纖的柔韌性和耐用性，使其能夠更好地適應日常穿著需求。

在光纖計算機完成制造后，研究人員采用編織技術，將其包裹在聚酯纖維、羊毛、尼龍等傳統(tǒng)紗線中，甚至包括絲綢等 premium 材料。

除了部署傳感器采集人體數(shù)據(jù)外，每臺光纖計算機還集成 LED 和光傳感器，實現(xiàn)了同一件衣服中多根光纖之間的通信，形成了一套可執(zhí)行計算的紡織網(wǎng)絡。

每臺光纖計算機配備了藍牙通信系統(tǒng)，能夠將數(shù)據(jù)無線傳輸至智能手機等設備，方便穿戴者隨時查看。

研究人員通過將四根光纖計算機縫制在同一件衣服的不同袖口，構建了一個紡織網(wǎng)絡。每根光纖獨立運行神經(jīng)網(wǎng)絡，經(jīng)過訓練后能夠準確識別深蹲、平板支撐、手臂環(huán)繞和弓步等基本動作。

Fink 表示，當光纖計算機分別位于單個肢體（手臂或腿）時，其識別人體活動的準確率約為 70%。然而，當四臺光纖計算機協(xié)同運作時，整體準確率可達到 95%以上。這凸顯了在多個身體區(qū)域部署光纖計算機并形成無需物理連接的網(wǎng)絡的重要性。

極地探險隊即將啟程

2 月，一支由多國科研團隊組成的極地探險隊即將踏上一段充滿挑戰(zhàn)的旅程：在北極進行為期 30 天、行程長達 1,000 公里的極地探險。

這支隊伍配備了麻省理工學院研發(fā)的新型"計算織物"，不僅有助于保障隊員的安全，還將為未來的生理"數(shù)字孿生"模型開發(fā)奠定基礎。

指揮官 Mathew Hefner 表示，作為在北極執(zhí)行行動十余年的資深軍人，他最關注的問題之一是如何在極端寒冷的環(huán)境下保護團隊免受寒冷的侵害，這是北極行動中人員面臨的主要威脅。

由于傳統(tǒng)系統(tǒng)難以全面呈現(xiàn)身體對極端寒冷的反應，我們采用了全天候的"計算織物"，以更好地理解身體在極端寒冷環(huán)境下的反應，并通過這種方法來預測和預防受傷。他進一步解釋道。

麻省理工學院開發(fā)的這種可編程計算織物技術，被美國陸軍環(huán)境醫(yī)學研究所高級研究科學家Karl Friedl評價為"改變?nèi)粘Ｉ畹母锩约夹g"。

想象一下，未來織物和服裝中的光纖計算機將能夠感知并回應環(huán)境和個人生理狀態(tài)，從而提升舒適度和活動表現(xiàn)，實現(xiàn)實時健康監(jiān)測，還能抵御外部威脅。Karl Friedl補充道，通過與使用預測生理模型和任務相關工具的AI的結合，這種技術的生存能力將進一步提升。

目前這項技術雖然仍在實驗室階段，但在實際應用中已經(jīng)展現(xiàn)了巨大的潛力，正如Fink所言。

不僅通過研究和實地測試來探索這一令人興奮的未來，麻省理工學院材料科學與工程系的"計算織物"課程也深入探討了這一技術。這門課由羅得島設計學院的Anais Missakian教授共同授課，旨在激發(fā)下一代創(chuàng)新者對這一領域的研究興趣。

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