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想象穿上這樣的一臺智能計算機，其功能遠超普通的智能手表，甚至可以與電腦實時互動。這種計算機不僅能夠全天候監(jiān)測健康狀況和身體活動，還能預測健康風險。聽起來像是科幻電影中的場景，但麻省理工學院的研究人員已經(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)和身體運動，并及時提醒潛在的健康風險。

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。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”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、細致地監(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?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、麻省理工學院材料科學與工程教授Yoel Fink 解釋道。

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

每臺智能纖維都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。實驗數(shù)據(jù)顯示，平均準確率可達到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’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。”Fink 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(nèi)置智能纖維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。

光纖計算機首次成功集成到服裝面料中

實際上，這種光纖計算機的研發(fā)工作建立在RLE Fibers@MIT實驗室長達十年的深入研究基礎之上。此前，團隊成員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，我們在將設備集成到光纖中時遇到了技術瓶頸，因此我們必須重新思考整個設計理念。同時，我們希望這種設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電區(qū)域（焊盤）與光纖內(nèi)部的復雜微器件之間可靠地連接導線，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)構布局進行對齊映射，然后將其卷曲成一個圓柱體，這種設計被他們稱為“maki”。隨后，他們又在“maki”卷的側(cè)面連接了四根獨立的導線，并將所有組件連接在一起。

"這一進展對我們來說意義重大，因為我們終于能夠?qū)⒐δ芨鼜姷挠嬎阍?，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不僅可以應用于微電子設備，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，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洗、彈性良好的纖維，拉伸超過60%后仍能保持功能。

研究團隊利用了Fibers@MIT團隊先前開創(chuàng)的“熱拉工藝”。通過這種方法，他們首先制造了光纖計算機的宏觀版本（預制棒），并在每個連接好的微設備中都包含了相應的元件。隨后，將預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。

"此前團隊成員Juliette Marion找到了制造彈性導體的方法，即使是在纖維被拉伸的過程中，導體也不會斷裂。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雜設備集成的技術瓶頸，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用場景。

光纖計算機制造完成后，研究人員采用編織技術將這些設備融入常規(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。

每臺光纖計算機內(nèi)置藍牙通信系統(tǒng)，可實時將數(shù)據(jù)傳輸至智能手機等設備，便于穿戴者進行查看和操作。

研究人員利用該通信系統(tǒng)，通過將四根光纖計算機縫入一件服裝中（每只袖子一根）來構建一個智能織物網(wǎng)絡，每根光纖獨立運行神經(jīng)網(wǎng)絡，經(jīng)過訓練識別一系列標準動作。

研究表明，當光纖計算機單獨部署在手臂或腿部時，識別人體動作的準確率約為70%。然而，當四個肢體上的光纖協(xié)同工作時，整體準確率可提升至近95%。這一發(fā)現(xiàn)表明在多個身體部位部署光纖計算機形成無需線纜的網(wǎng)絡系統(tǒng)具有重要意義。Fink 即為此項研究的倡導者。

在北極地區(qū)進行實地試驗

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

這支隊伍采用了麻省理工學院開發(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”模型提供了技術基礎。

Musk Ox II 項目指揮官、美國陸軍少校 Mathew Hefner 強調(diào)，“作為一名擁有十多年北極行動經(jīng)驗的領導者，我最關心的問題之一就是如何在極端寒冷條件下保護團隊，這畢竟是操作人員在極地環(huán)境中面臨的主要挑戰(zhàn)?！?/p>

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)境下的反應機制，從而實現(xiàn)受傷預防。

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

Friedl進一步解釋道，未來某一天，織物和服裝中的光纖計算機將能夠?qū)崟r感知和響應環(huán)境變化及個人生理狀態(tài)，從而提升舒適度和運動表現(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，通過與基于預測生理模型的任務相關的人工智能工具整合，系統(tǒng)將進一步增強在惡劣環(huán)境中的生存能力。

目前這項技術雖然在實驗室中 already取得了一些成果，但其潛力仍在進一步挖掘中，正如Fink所言，傳統(tǒng)纖維織物與計算技術及機器學習的結(jié)合才剛剛起步。

不僅如此，我們還在麻省理工學院材料科學與工程系的"計算織物"課程中深入探討了這一前沿領域。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)年輕一代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