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Los ingenieros crean una fibra programable
Yoel Fink,
Yoel Fink, quien es profesor en los departamentos de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería eléctrica e informática, investigador principal del Laboratorio de Investigación de Electrónica y autor principal del estudio, dice que las fibras digitales amplían las posibilidades de las telas para descubrir el contexto. de patrones ocultos en el cuerpo humano que podrían usarse para monitorear el desempeño físico, inferencia médica y detección temprana de enfermedades.
O quizás algún día guarde la música de su boda en el vestido que usó el gran día, más sobre eso más adelante.
Fink y sus colegas describen las características de la fibra digital hoy en Nature Communications . Hasta ahora, las fibras electrónicas han sido analógicas, llevando una señal eléctrica continua, en lugar de digitales, donde los bits discretos de información se pueden codificar y procesar en 0 y 1.
“Este trabajo presenta la primera realización de un tejido con la capacidad de almacenar y procesar datos digitalmente, agregando una nueva dimensión de contenido de información a los textiles y permitiendo que los tejidos se programen literalmente”, dice Fink.
Una fotografía de primer plano de las fibras digitales sobre tela verde. Imagen: Anna Gitelson-Kahn. Foto de Roni Cnaani.
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El estudiante de doctorado del MIT Gabriel Loke y el postdoctorado del MIT Tural Khudiyev son los autores principales del artículo. Otros coautores del postdoctorado del MIT Wei Yan; Los estudiantes universitarios del MIT Brian Wang, Stephanie Fu, Ioannis Chatziveroglou, Syamantak Payra, Yorai Shaoul, Johnny Fung e Itamar Chinn; John Joannopoulos, profesor de física de la cátedra Francis Wright Davis y director del Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT.
Gabriel Loke
Tural Khudiyev
El estudiante de maestría de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Harrisburg, Pin-Wen Chou; y la profesora adjunta de la Escuela de Diseño de Rhode Island, Anna Gitelson-Kahn. El trabajo de la tela fue facilitado por el profesor Anais Missakian, quien ocupa la Cátedra Dotada de la Familia Pevaroff-Cohn en Textiles en RISD.
Memoria y más
La nueva fibra se creó colocando cientos de chips digitales de microescala de silicio cuadrados en una preforma que luego se utilizó para crear una fibra de polímero. Al controlar con precisión el flujo del polímero, los investigadores pudieron crear una fibra con conexión eléctrica continua entre los chips en una longitud de decenas de metros.
Una fotografía de cerca muestra la fibra enhebrada a través de una aguja. Imagen: Pin-Wen Chou. Foto de Pin-Wen Chou.
La fibra en sí es delgada y flexible y se puede pasar a través de una aguja, coserse en telas y lavarse al menos 10 veces sin romperse. Según Loke, “cuando lo pones en una camisa, no puedes sentirlo en absoluto. No sabrías que estaba allí “.
Hacer una fibra digital “abre diferentes áreas de oportunidades y de hecho resuelve algunos de los problemas de las fibras funcionales”, dice.
Por ejemplo, ofrece una forma de controlar elementos individuales dentro de una fibra, desde un punto en el extremo de la fibra. “Puede pensar en nuestra fibra como un pasillo, y los elementos son como habitaciones, y cada uno tiene sus propios números de habitación digitales únicos”, explica Loke. El equipo de investigación ideó un método de direccionamiento digital que les permite “encender” la funcionalidad de un elemento sin encender todos los elementos. crean una fibra programable crean una fibra programable
Una fibra digital también puede almacenar mucha información en la memoria. Los investigadores pudieron escribir, almacenar y leer información en la fibra, incluido un archivo de película corta a todo color de 767 kilobits y un archivo de música de 0,48 megabytes. Los archivos se pueden almacenar durante dos meses sin energía.
Cuando estaban soñando “ideas locas” para la fibra, dice Loke, pensaron en aplicaciones como un vestido de novia que almacenaría música de boda digital dentro del tejido de su tejido, o incluso escribir la historia de la creación de la fibra en sus componentes.
Fink señala que la investigación en el MIT se realizó en estrecha colaboración con el departamento textil de RISD dirigido por Missakian. Gitelson-Kahn incorporó las fibras digitales en una manga de prenda tejida, allanando así el camino para crear la primera prenda digital.
Inteligencia artificial corporal
La fibra también da algunos pasos hacia la inteligencia artificial al incluir, dentro de la memoria de la fibra, una red neuronal de 1.650 conexiones. Después de coserlo alrededor de la axila de una camisa, los investigadores utilizaron la fibra para recopilar 270 minutos de datos de temperatura corporal superficial de una persona que usaba la camisa y analizar cómo estos datos correspondían a diferentes actividades físicas. Capacitada en estos datos, la fibra pudo determinar con un 96 por ciento de precisión en qué actividad estaba involucrada la persona que lo usaba.
Agregar un componente de IA a la fibra aumenta aún más sus posibilidades, dicen los investigadores. Los tejidos con componentes digitales pueden recopilar mucha información en todo el cuerpo a lo largo del tiempo, y estos “datos abundantes” son perfectos para los algoritmos de aprendizaje automático, dice Loke.
“Este tipo de tejido podría proporcionar datos de código abierto en cantidad y calidad para extraer nuevos patrones corporales que no conocíamos antes”, dice.
Con este poder analítico, las fibras algún día podrían detectar y alertar a las personas en tiempo real sobre cambios de salud como un deterioro respiratorio o latidos cardíacos irregulares, o entregar información de activación muscular o frecuencia cardíaca a los atletas durante el entrenamiento. crean una fibra programable crean una fibra programable
La fibra está controlada por un pequeño dispositivo externo, por lo que el siguiente paso será diseñar un nuevo chip como microcontrolador que se pueda conectar dentro de la propia fibra.
“Cuando podemos hacer eso, podemos llamarlo una computadora de fibra”, dice Loke.
Esta investigación fue apoyada por el Instituto de Nanotecnologías de Soldados del Ejército de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., El Sea Grant del MIT y la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa. crean una fibra programable crean una fibra programable
3 preguntas: el rápido desarrollo del futuro de las telas inteligentes
En esta fotografía de tela, puedes ver la luz verde de las fibras funcionales. “Ningún objeto creado por humanos es más omnipresente o está más expuesto a datos más vitales que la ropa que todos usamos”, dice el estudiante de doctorado Gabriel Locke. Imagen cortesía de AFFOA
“¿No sería fantástico si de alguna manera pudiéramos enseñar a nuestras telas a detectar, almacenar, analizar, extraer y comunicar esta información potencialmente útil?”
En un artículo de opinión publicado en la revista Matter, los miembros del grupo de investigación Fibers @ MIT presentaron recientemente una visión detallada de cómo el campo de rápido crecimiento de fibras y tejidos avanzados podría transformar muchos aspectos de nuestras vidas. Por ejemplo, la “ropa inteligente” puede monitorear continuamente la temperatura, la frecuencia cardíaca y otros signos vitales, luego analizar los datos y dar advertencias de posibles condiciones de salud. Dirigido por el profesor Yoel Fink, el grupo está desarrollando fibras y tejidos con propiedades computacionales avanzadas. MIT News le pidió al estudiante de doctorado Gabriel Loke, quien era el autor principal del artículo, junto con Fink y otras seis personas, que explicara la perspectiva del equipo.
P: El artículo que acaba de publicar describe una visión para una computadora de tela. ¿Podrían estas computadoras ayudar a abordar una situación de pandemia como la que enfrentamos ahora?
Un hilo de fibra funcional se ilumina en verde y pasa por la cabeza de una aguja de coser. Imagen cortesía de AFFOA
R: La pandemia actual ha revelado la necesidad de nuevos paradigmas para evaluar la salud de grandes poblaciones en tiempo real. Los enfoques actuales de las pruebas basadas en síntomas son indicadores rezagados y se pueden comparar a conducir solo con el espejo retrovisor, en lo que respecta a la propagación de Covid-19. Entonces, ¿cómo creamos sistemas que sean predictivos, con visión de futuro y que puedan ofrecer indicadores adelantados? ¿Qué pasaría si tuviera una forma de acceder a sus signos vitales de forma continua? ¿Podrían los cambios sutiles e imperceptiblemente pequeños convertirse en señales de advertencia tempranas de los problemas de salud de un individuo? ¿Qué pasaría si pudiera correlacionar en el espacio y el tiempo estos cambios para una gran población, y hacerlo en tiempo real, para identificar la propagación de enfermedades?
Ningún objeto creado por humanos es más omnipresente o está más expuesto a datos más vitales que la ropa que todos usamos. ¿No sería fantástico si pudiéramos enseñar a nuestras telas a detectar, almacenar, analizar, extraer y comunicar esta información potencialmente útil?
En este artículo, describo los cuatro principios de esta nueva computadora. Primero, las capacidades de una sola hebra de fibra avanzarán rápidamente con el tiempo a través de nuevos diseños de materiales y enfoques de fabricación de fibra escalables. El segundo paso es el ensamblaje sinérgico de estas fibras en un tejido en una posición única para capturar, almacenar y procesar grandes cantidades de datos liberados por nuestros cuerpos. El tercero es el desarrollo de tejidos con inteligencia artificial, donde los algoritmos de aprendizaje automático especialmente diseñados y programados en los tejidos podrían descubrir y obtener nuevos conocimientos sobre patrones corporales ocultos. Cuarto, las telas se convierten en plataformas sofisticadas para servicios de valor agregado que atienden a una gran población.
P: Describe una posible “Ley de Moore”, que originalmente describía una duplicación de la capacidad informática cada 18 meses, para el desarrollo de estructuras computacionales. ¿Podría describir lo que quiere decir con eso?
R: Para que surja una ley de Moore para las fibras, las fibras deben estar compuestas por múltiples materiales, dispuestos con precisión dentro de una sola sección transversal de fibra para producir dispositivos de diferentes funcionalidades, incluida la computación. El campo de las fibras multimaterial es joven, en relación con el de la tecnología de película fina para dispositivos de microchip. Pero lo que estamos viendo ahora en artículos e investigaciones es un gran crecimiento en la cantidad de funciones que puede exhibir una fibra.
Por ejemplo, en los últimos años, el método de fabricación llamado estirado de fibra térmica ha dado como resultado una variedad de combinaciones de materiales y funciones, incluida la monitorización de la frecuencia cardíaca y la comunicación óptica. Con la Ley de Moore para las fibras, imaginamos un futuro en el que los tejidos computacionales se actualizarán constantemente con nuevas funciones y capacidades, de manera similar a como siempre estamos actualizando el software en nuestras computadoras.
P : Ha presentado una visión a largo plazo y un plan para el futuro de los tejidos computacionales. ¿Cuáles considera que son los pasos a corto plazo más importantes en esa dirección que podemos esperar ver en los próximos años?
R: Lo más importante es asegurarse de que las personas, en particular los estudiantes, se den cuenta de lo que está sucediendo con las telas y cuán capaces serán pronto. En nuestro grupo, una gran cantidad de estudiantes de diferentes disciplinas están trabajando en la creación de computadoras de tela mientras hablamos. De manera similar a la evolución de las computadoras personales, existen grandes oportunidades para nuevas empresas e innovación en este espacio. Anticipo la entrada de fibras en el dominio digital y la introducción de entrada y salida de fibra. Las computadoras modernas están formadas por millones de puertas lógicas, por lo que la incorporación de circuitos y puertas digitales en una fibra representa el primero de muchos pasos hacia el logro de capacidades informáticas completas en fibras y tejidos.
En segundo lugar, para la realización de una computadora de tejido, el paso significativo a corto plazo será el desarrollo de arquitecturas de tejido que permitan que las fibras se comuniquen entre sí conservando las cualidades convencionales de los tejidos.
Finalmente, para habilitar tejidos con capacidades de inteligencia artificial, entrenar redes útiles para realizar predicciones precisas requiere grandes conjuntos de datos. Esto requiere la recopilación de grandes cantidades de datos de nuestro cuerpo. Entonces, es necesario que los sensores en telas sean lo más sin costuras y resistentes posible para que estos sensores se puedan usar durante períodos prolongados. Trabajar en estos frentes, como mejorar la flexibilidad, la capacidad de lavado y los requisitos de energía de los sensores de fibra, nos llevará un paso adelante en el muestreo generalizado de datos del cuerpo humano.
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