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想想看，如果把一臺能夠運行模型的計算機穿在身上，會是一種什么樣的體驗？它不僅能全天候監(jiān)測健康狀況和身體活動，還能預測潛在的健康風險，聽起來就像科幻電影中的場景，但實際上，麻省理工學院的研究人員已經(jīng)將其變成了現(xiàn)實。

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算機，這種設備能夠實時追蹤（穿戴者）的健康狀態(tài)和身體運動，并通過提醒預防潛在的健康風險。

據(jù)研究人員介紹，這種纖維計算機穿著舒適，幾乎不會讓人感到不適，并且還能進行 Machine Learning 模型的訓練和推理。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“可穿戴設備”（通常只能監(jiān)測身體的某一點位，如胸部、手腕或手指）不同，這種纖維計算機能大面積接觸身體，靠近重要器官，為更全面地監(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，我們想直接利用衣服來捕捉、分析、存儲并傳送這些重要的健康信號。”這篇論文的通訊作者、麻省理工學院材料科學與工程教授 Yoel Fink 解釋道。

這種纖維計算機內置了多個微型設備，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。

每臺可獨立編程的纖維計算機運行著一個機器學習模型，該模型經(jīng)過訓練并用于自動識別穿戴者的運動，前期實驗顯示平均準確率可達到 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。他們通過實驗發(fā)現(xiàn)，將各個纖維計算機進行互聯(lián)后，它們的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’能隨時隨地運行應用程序，不僅可以幫助我們理解并預防健康問題，還將在日常生活中提供健康管理服務?！盕ink 表示，“我們很期待在即將到來的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>

據(jù)研究人員介紹，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 Francis Wright 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。

光纖計算機集成到衣物中

實際上，這種光子集成裝置的研發(fā)基于麻省理工學院的 RLE Fibers@MIT 實驗室長達十年的深入研究。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，我們目前無法將集成到光纖中的設備復雜度提升到一個更高的水平，因此不得不重新審視整個設計流程。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。

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存在不匹配的問題。換句話說，要在每個平面微器件外部的小導電區(qū)域（焊盤）與光纖的復雜微器件之間建立可靠的連接通道，這是一項極具難度的工作。

在這項最新研究中，研究團隊采用了我們稱之為“maki”設計的方法。他們使用了一種特殊的柔性電路板，將每個微器件的二維焊盤按照三維結構進行布局和對齊映射，然后將其卷成一個圓柱體。這種設計方式能夠將功能更強大的計算元件（如微控制器和藍牙傳感器）集成到光纖中。

該團隊的負責人表示，“這一創(chuàng)新對于我們來說至關重要，因為它使我們能夠將更強大的計算功能集成到光纖中?！彼麄兿Ｍㄟ^這項技術實現(xiàn)微電子設備的多功能折疊設計。

值得注意的是，這種多功能折疊技術不僅限于用于光子集成裝置，還可以擴展應用到各種微電子設備上，賦予它們更多的功能。研究團隊希望未來能利用這一技術集成更多的微電子器件。

此外，研究團隊還開發(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洗又具有良好彈性的纖維，其拉伸性能超過60%后仍能保持完好。

該研究團隊采用麻省理工學院的“熱拉工藝”來制造光子集成裝置。這種方法首先用于制作光子集成裝置的大型原型（成品棒），然后將每個集成好的微設備都包含在內。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。

研究團隊的負責人補充道，“我們從團隊成員 Juliette Marion 處了解到，即使在纖維被拉伸的情況下，導體也不會斷裂。因此，在拉伸纖維的過程中，我們仍能保持導體的功能性。這對于針織工藝以及普通服裝的制作都非常關鍵?！?/p>

通過該方法，研究人員不僅解決了復雜設備集成的問題，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用場景。

光纖計算機完成后，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，形成新的紡織結構。

除了通過傳感器收集人體數(shù)據(jù)，每臺光纖計算機還集成LED和光傳感器，實現(xiàn)光纖間的通信，形成可執(zhí)行計算的紡織網(wǎng)絡。

每臺光纖計算機配備了藍牙無線通信系統(tǒng)，可將實時數(shù)據(jù)傳輸至智能手機等設備，方便穿戴者查看。

研究人員通過利用這些通信系統(tǒng)，將四根光纖計算機縫入一件衣物（每根縫入一個袖子）中，建立一個紡織網(wǎng)絡，每根光纖獨立運行神經(jīng)網(wǎng)絡，經(jīng)過訓練后可識別深蹲、平板支撐等動作。

Fink指出，當光纖計算機位于單個肢體時，識別人體活動的準確率約為70%。但當四個肢體協(xié)同運作時，整體準確率可達到近95%。這凸顯了在多個身體區(qū)域部署光纖計算機的價值。

在北極地區(qū)展開實地試驗

今年2月，一支由多國成員組成的創(chuàng)新團隊將踏上一段具有里程碑意義的旅程：在北極地區(qū)展開為期30天、行程長達1,000公里的極地探險。

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

該項目指揮官、美國陸軍少校Mathew Hefner表示，“作為一名在極端寒冷環(huán)境下有十多年行動經(jīng)驗的領導者，我最關注的問題之一就是如何保護團隊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)織物無法提供完整的生理數(shù)據(jù)。此次，我們將全程穿戴這種"計算織物"，以更深入地了解身體在極端寒冷環(huán)境下的反應機制，從而有效預防受傷。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 稱為"改變日常生活的革命性技術"。

"想象一下，未來織物和服裝中的光纖計算機能夠實時感知環(huán)境和個人生理狀態(tài)，提升舒適度和活動表現(xiàn)，進行健康監(jiān)測，還能抵御外部威脅。通過結合AI預測生理模型和任務相關工具，其在惡劣環(huán)境下的生存能力將進一步提升。"Friedl 表示。

目前，這項技術雖然在實驗室階段還處于起步階段，但在實際應用中已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大潛力，正如Fink 所言。

"我們不僅通過研究和實地測試來探索這一令人興奮的未來，還在麻省理工學院材料科學與工程系"計算織物"課程中進行了深入探討。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。"他說道。

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