新型可编程纤维：制成衣物可实现智能活动

文/陈根

  近些年来,可穿戴设备一直是科技领域的热点。无论是衣物像皮肤一样拥有触觉,还是纺织品利用人体能量为小型设备供电,可穿戴设备总是能刷新我们的想象。近日,研究人员又成功地将微型芯片嵌入到单根纤维中,发明了一种新型可编程的纤维,其可以制成衣物,实现智能活动。

纤维是构建世界的基本元素之一,也是人类重要的发明之一。根据中国考古发现,人类从5000多年前就开始使用纤维材料,它们被编成纺织品,为人类遮身蔽体、保暖抗寒。近年来,随着信息技术和人工智能的飞速发展,纤维材料更是具备了发电、储能、发光、变色、变形、传感等一系列全新功能。

与块状和薄膜器件相比,纤维状电子器件可以紧粘在不规则基底上、可适应扭曲和拉伸等复杂形变,同时具有透气导湿等独特性能。这些优点使得纤维电子器件,在电源系统、信息技术、物联网、人工智能、大健康、空间探测等领域有着广泛的应用空间。

在一项新的研究中,研究人员使用热拉伸技术,将 4 根直径 25 微米的钨丝组成的微米级芯片嵌入预制聚合物纤维,制成长度可达数十米的可弯折、抗拉伸纤维。这一技术能够保持纤维内微芯片稳固连接,并且能够令其在穿过针眼、织入衣物时不损坏,由于纤维本身也足够细软,穿着时也不会引起不适。

嵌入纤维的每一个芯片都具有唯一的数字地址,系统可通过简单的逻辑电路进行数字寻址,并根据输入的信号激活对应芯片的功能。此外,芯片中还包含存储单元,将一个 747 KB 的彩色短片和一个 0．45 MB 的音乐文件写入其中,这些文件能够在断电的情况下保存两个月。

由于嵌入的芯片可以根据需求设计,所以理论上,这样的结构可以完成任何简单逻辑电路所能执行的任务。实验中,研究人员将一组包含 1650 个芯片的纤维缝入了衬衫的腋下,这些芯片连接形成了一个神经网络,可以分析温度的时序信息,判定穿着者正在进行的活动类型。

更重要的是,训练完成的神经网络对穿戴者活动类型的判断准确率达到了 96．4%。未来,基于传感纤维和神经网络纤维的穿戴设备将能够感知并实时提醒人们的身体状况变化,并为呼吸衰退或心率不齐等症状的病人以及训练期间的运动员提供数据支持。

目前,虽然这一纤维结构已包含了处理单元,但暂时仍通过一个小型外部控制设备进行指令输入和数据输出,以供研究测试需要。未来,如果可以将外部控制单元也设计为微米级芯片,置于纤维内部,那就相当于把电脑穿在身上了。