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想象一下，將一臺能夠?qū)崟r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(yù)測潛在的健康風(fēng)險。這種未來場景聽起來像是科幻電影的設(shè)定，但麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)將其變?yōu)楝F(xiàn)實。

最近，麻省理工學(xué)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(shè)備能夠?qū)崟r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(fēng)險。

研究人員表示，這種設(shè)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(shè)備”（通常只能監(jiān)測身體某一點位）不同，這種“服裝式”設(shè)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。”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。

這種設(shè)計的服裝內(nèi)置了多個微型設(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(xué)習(xí)模型，經(jīng)過訓(xùn)練后用于自動識別穿戴者的運動。前期實驗顯示，平均準(zhǔn)確率達(dá)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(zhǔn)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(yīng)用程序，還能幫助我們理解并預(yù)防健康問題，同時為日常生活中提供健康管理服務(wù)。”Fink 表示，“我們非常期待在一項任務(wù)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(hù)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(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)置光纖計算機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)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。

光纖集成進(jìn)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(dá)數(shù)年的研究基礎(chǔ)上。此前，研究團隊展示了如何將半導(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進(jìn)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(fù)雜的設(shè)備，所以我們不得不重新思考整個設(shè)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(cè)面連接四根獨立導(dǎo)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(jìn)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(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)可以應(yīng)用到多種微電子設(shè)備上，賦予它們更多新的功能。研究人員希望借助這種技術(shù)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(yù)制棒），將每個連接好的微設(shè)備都包含其中；接下來，把預(yù)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(dǎo)體的方法，即便拉伸纖維，導(dǎo)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(fù)雜設(shè)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(yīng)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(shù)，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(luò)。

每臺光纖計算機配備了藍(lán)牙通信系統(tǒng)，能夠?qū)?shù)據(jù)無線傳輸至智能手機等設(shè)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(gòu)建了一個紡織網(wǎng)絡(luò)。每根光纖獨立運行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過訓(xùn)練后能夠準(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)確率約為 70%。然而，當(dāng)四臺光纖計算機協(xié)同運作時，整體準(zhǔn)確率可達(dá)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(luò)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(jìn)行為期 30 天、行程長達(dá) 1,000 公里的極地探險。

這支隊伍配備了麻省理工學(xué)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(chǔ)。

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(guān)注的問題之一是如何在極端寒冷的環(huán)境下保護(hù)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(yīng)，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(yīng)，并通過這種方法來預(yù)測和預(yù)防受傷。他進(jìn)一步解釋道。

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

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(yīng)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(yù)測生理模型和任務(wù)相關(guān)工具的AI的結(jié)合，這種技術(shù)的生存能力將進(jìn)一步提升。

目前這項技術(shù)雖然仍在實驗室階段，但在實際應(yīng)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(xué)院材料科學(xué)與工程系的"計算織物"課程也深入探討了這一技術(shù)。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)下一代創(chuàng)新者對這一領(lǐng)域的研究興趣。

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