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想象穿上這樣的一臺智能計算機(jī)，其功能遠(yuǎn)超普通的智能手表，甚至可以與電腦實時互動。這種計算機(jī)不僅能夠全天候監(jiān)測健康狀況和身體活動，還能預(yù)測健康風(fēng)險。聽起來像是科幻電影中的場景，但麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)將其變成現(xiàn)實。

最近，研究人員開發(fā)出了一款外形類似彈性纖維的智能纖維，能夠?qū)崟r捕捉并分析身體的各種數(shù)據(jù)。這種纖維能夠?qū)崟r監(jiān)測穿戴者的健康狀態(tài)和身體運(yùn)動，并及時提醒潛在的健康風(fēng)險。

研究人員表示，這種智能纖維不僅舒適易穿，還能輕松放入洗衣機(jī)。目前，這項研究成果已經(jīng)發(fā)表在《自然》雜志上。

與傳統(tǒng)的“可穿戴設(shè)備”不同，這種智能纖維能夠大面積接觸身體，接近重要器官。這為全面、細(xì)致地監(jiān)測人體生理和健康狀態(tài)提供了前所未有的機(jī)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(yùn)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?yōu)楹尾恢苯永靡路聿蹲?、分析、存儲并傳送這些重要的健康信號呢？”這篇論文的通訊作者、麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Yoel Fink 解釋道。

這款智能纖維內(nèi)置了多個關(guān)鍵組件，包括傳感器、微控制器、藍(lán)牙模塊、光通信模塊、存儲器和電池。所有這些關(guān)鍵組件都整合在一根彈性纖維中。

每臺智能纖維都運(yùn)行著一個機(jī)器學(xué)習(xí)模型，該模型經(jīng)過訓(xùn)練并用于自動識別穿戴者的運(yùn)動。實驗數(shù)據(jù)顯示，平均準(zhǔn)確率可達(dá)到70%。研究人員將四根這種智能纖維分別嵌入上衣和褲子中，沿著四肢分布。通過實驗發(fā)現(xiàn)，將各個智能纖維相互連接后，整體準(zhǔn)確率顯著提升至95%以上。

“在不久的將來，這種可穿在身上的‘光纖計算機(jī)’能隨時隨地運(yùn)行應(yīng)用程序，不僅可以幫助我們理解并預(yù)防健康問題，還將在日常生活中提供健康管理服務(wù)?！盕ink 表示，“我們很期待在即將到來的一項任務(wù)中提前感受這一未來場景，讓‘光纖計算機(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，一個跨國團(tuán)隊將在北極進(jìn)行為期一個月的研究任務(wù)（Musk Ox II），在平均氣溫零下40℃的環(huán)境下行程長達(dá)1,000公里。他們開發(fā)的數(shù)十件內(nèi)置智能纖維的襯衫將為參與該任務(wù)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(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，以及其他來自羅得島設(shè)計學(xué)院和布朗大學(xué)的研究人員。

光纖計算機(jī)首次成功集成到服裝面料中

實際上，這種光纖計算機(jī)的研發(fā)工作建立在RLE Fibers@MIT實驗室長達(dá)十年的深入研究基礎(chǔ)之上。此前，團(tuán)隊成員展示了如何將半導(dǎo)體器件、光學(xué)二極管、存儲單元、彈性電觸點和傳感器集成到可織成織物和服裝纖維中的方法。

"盡管在制造工藝上存在局限性，我們在將設(shè)備集成到光纖中時遇到了技術(shù)瓶頸，因此我們必須重新思考整個設(shè)計理念。同時，我們希望這種設(shè)計既能具備彈性和柔韌性，又能與傳統(tǒng)面料特性相匹配。"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。換句話說，要在平面微器件外部的小導(dǎo)電區(qū)域（焊盤）與光纖內(nèi)部的復(fù)雜微器件之間可靠地連接導(dǎo)線，難度很大，而且容易出現(xiàn)故障，因為微器件的焊盤眾多，難以為每根導(dǎo)線找到足夠的空間。

在這項最新研究中，他們采用了柔性電路板“中介層”，將每個微器件的二維焊盤按三維結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行對齊映射，然后將其卷曲成一個圓柱體，這種設(shè)計被他們稱為“maki”。隨后，他們又在“maki”卷的側(cè)面連接了四根獨(dú)立的導(dǎo)線，并將所有組件連接在一起。

"這一進(jìn)展對我們來說意義重大，因為我們終于能夠?qū)⒐δ芨鼜?qiáng)的計算元件，如微控制器和藍(lán)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(shù)不僅可以應(yīng)用于微電子設(shè)備，還能夠賦予它們更多新的功能。研究人員希望未來能夠利用這一技術(shù)集成更多的微電子器件。

此外，研究人員采用了熱塑性彈性體材料來制造這種光纖計算機(jī)，其柔韌性是之前所使用的熱塑性塑料的顯著提升。這種材料使得他們能夠制造出可機(jī)洗、彈性良好的纖維，拉伸超過60%后仍能保持功能。

研究團(tuán)隊利用了Fibers@MIT團(tuán)隊先前開創(chuàng)的“熱拉工藝”。通過這種方法，他們首先制造了光纖計算機(jī)的宏觀版本（預(yù)制棒），并在每個連接好的微設(shè)備中都包含了相應(yīng)的元件。隨后，將預(yù)制棒掛在高溫爐中熔化并拉伸，最終制成的纖維中還內(nèi)置了鋰離子電池，使其能夠自行供電。

"此前團(tuán)隊成員Juliette Marion找到了制造彈性導(dǎo)體的方法，即使是在纖維被拉伸的過程中，導(dǎo)體也不會斷裂。這樣一來，在拉伸纖維的過程中，我們?nèi)阅鼙３衷O(shè)備的正常功能，這對于針織工藝以及普通服裝制作都非常重要。"Gupta表示。

通過這一創(chuàng)新方法，研究人員不僅突破了復(fù)雜設(shè)備集成的技術(shù)瓶頸，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)用場景。

光纖計算機(jī)制造完成后，研究人員采用編織技術(shù)將這些設(shè)備融入常規(guī)纖維材料中，包括聚酯纖維、羊毛、尼龍，甚至絲綢等 premium 材料。

除了通過傳感器收集人體數(shù)據(jù)，每臺光纖計算機(jī)還集成了 LED 和光傳感器，實現(xiàn)了多根光纖之間的通信，形成了一個可執(zhí)行計算的紡織網(wǎng)絡(luò)。

每臺光纖計算機(jī)內(nèi)置藍(lán)牙通信系統(tǒng)，可實時將數(shù)據(jù)傳輸至智能手機(jī)等設(shè)備，便于穿戴者進(jìn)行查看和操作。

研究人員利用該通信系統(tǒng)，通過將四根光纖計算機(jī)縫入一件服裝中（每只袖子一根）來構(gòu)建一個智能織物網(wǎng)絡(luò)，每根光纖獨(dú)立運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過訓(xùn)練識別一系列標(biāo)準(zhǔn)動作。

研究表明，當(dāng)光纖計算機(jī)單獨(dú)部署在手臂或腿部時，識別人體動作的準(zhǔn)確率約為70%。然而，當(dāng)四個肢體上的光纖協(xié)同工作時，整體準(zhǔn)確率可提升至近95%。這一發(fā)現(xiàn)表明在多個身體部位部署光纖計算機(jī)形成無需線纜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有重要意義。Fink 即為此項研究的倡導(dǎo)者。

在北極地區(qū)進(jìn)行實地試驗

今年 2 月，一支由多國成員組成的專業(yè)團(tuán)隊將踏上一段充滿挑戰(zhàn)的旅程：在北極地區(qū)進(jìn)行為期 30 天、行程長達(dá) 1,000 公里的極地探險。

這支隊伍采用了麻省理工學(xué)院開發(fā)的這種新型“計算織物”，不僅能夠有效保障隊員的人身安全，還為未來開發(fā)生理“數(shù)字孿生”模型提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

Musk Ox II 項目指揮官、美國陸軍少校 Mathew Hefner 強(qiáng)調(diào)，“作為一名擁有十多年北極行動經(jīng)驗的領(lǐng)導(dǎo)者，我最關(guān)心的問題之一就是如何在極端寒冷條件下保護(hù)團(tuán)隊，這畢竟是操作人員在極地環(huán)境中面臨的主要挑戰(zhàn)。”

傳統(tǒng)系統(tǒng)難以提供一個全面的全景圖。此次，我們將全天候穿著這種"計算織物"，以期更深入地理解身體在極端寒冷環(huán)境下的反應(yīng)機(jī)制，從而實現(xiàn)受傷預(yù)防。

麻省理工學(xué)院開發(fā)的這種可編程計算織物技術(shù)獲得了…高級研究科學(xué)家Karl Friedl給予了高度評價，稱其為"改變?nèi)粘Ｉ畹母锩约夹g(shù)"。

Friedl進(jìn)一步解釋道，未來某一天，織物和服裝中的光纖計算機(jī)將能夠?qū)崟r感知和響應(yīng)環(huán)境變化及個人生理狀態(tài)，從而提升舒適度和運(yùn)動表現(xiàn)，實現(xiàn)對生理監(jiān)測的實時追蹤，同時具備抵御外界威脅的能力。此外，通過與基于預(yù)測生理模型的任務(wù)相關(guān)的人工智能工具整合，系統(tǒng)將進(jìn)一步增強(qiáng)在惡劣環(huán)境中的生存能力。

目前這項技術(shù)雖然在實驗室中 already取得了一些成果，但其潛力仍在進(jìn)一步挖掘中，正如Fink所言，傳統(tǒng)纖維織物與計算技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)合才剛剛起步。

不僅如此，我們還在麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系的"計算織物"課程中深入探討了這一前沿領(lǐng)域。這門課由羅得島設(shè)計學(xué)院的Anais Missakian教授共同授課，旨在激發(fā)年輕一代對這一領(lǐng)域的研究興趣。

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