Os pesquisadores do MIT desenvolveram um computador de fibra e entraram em rede vários deles em uma peça de roupa que aprende a identificar atividades físicas.
E se as roupas que você veste pudesse cuidar da sua saúde?
Os pesquisadores do MIT desenvolveram um computador programável autônomo na forma de uma fibra elástica, que poderia monitorar as condições de saúde e a atividade física, alertando o usuário sobre riscos potenciais à saúde em tempo actual. Roupas contendo o computador de fibra eram confortáveis e laváveis para a máquina, e as fibras eram quase imperceptíveis ao usuário, relatam os pesquisadores.
Ao contrário dos sistemas de monitoramento no corpo, conhecidos como “wearables”, que estão localizados em um único ponto, como peito, pulso ou dedo, tecidos e vestuário, têm uma vantagem de estar em contato com grandes áreas do corpo próximas aos órgãos vitais. Como tal, eles apresentam uma oportunidade única de medir e entender a fisiologia e a saúde humanas.
O computador de fibra contém uma série de microdompos, incluindo sensores, um microcontrolador, memória digital, módulos Bluetooth, comunicações ópticas e uma bateria, compõem todos os componentes necessários de um computador em uma única fibra elástica.
Os pesquisadores adicionaram quatro computadores de fibra a um topo e um par de leggings, com as fibras correndo ao longo de cada membro. Em seus experimentos, cada computador de fibra programável de forma independente operava um modelo de aprendizado de máquina que foi treinado para reconhecer autonomamente exercícios realizados pelo usuário, resultando em uma precisão média de cerca de 70 %.
Surpreendentemente, uma vez que os pesquisadores permitiram que os computadores de fibra individuais se comunicassem entre si, sua precisão coletiva aumentou para quase 95 %.
“Nossos corpos transmitem gigabytes de dados através da pele a cada segundo na forma de calor, som, bioquímicos, potenciais elétricos e luz, todos os quais carregam informações sobre nossas atividades, emoções e saúde. Infelizmente, a maioria – se não tudo – é absorvida e depois perdida nas roupas que vestimos. Não seria ótimo se pudéssemos ensinar roupas para capturar, analisar, armazenar e comunicar essas informações importantes na forma de insights valiosos de saúde e atividade? ” Diz Yoel Fink, professor de ciência e engenharia de materiais do MIT, um investigador principal do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica (RLE) e do Instituto de Nanotecnologias de Soldados (ISN) e autor sênior de um artigo sobre a pesquisa, que aparece hoje em Natureza.
O uso do computador de fibra para entender as condições de saúde e ajudar a prevenir lesões em breve também passará por um teste significativo do mundo actual. Os membros do Exército e do Serviço da Marinha dos EUA conduzirão uma missão de pesquisa de inverno no Ártico, cobrindo 1.000 quilômetros em temperaturas médias de -40 graus Fahrenheit. Dezenas de camisas de malha de camada base com computadores de fibra fornecerão informações em tempo actual sobre a saúde e a atividade dos indivíduos que participam dessa missão, chamada Musk Ox II.
“No futuro não muito distante, os computadores de fibra nos permitirão executar aplicativos e obter valiosos serviços de saúde e segurança a partir de roupas simples e diárias. Estamos empolgados em ver vislumbres desse futuro na próxima missão ártica através de nossos parceiros no Exército dos EUA, Marinha e Darpa. Ajudar a manter nossos membros de serviço em segurança nos ambientes mais severos é uma honra e privilégio ”, diz Fink.
Ele se junta ao artigo dos autores co-líder Nikhil Gupta, um estudante de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT; Henry Cheung Meng ’23; e Syamantak Payra ’22, atualmente estudante de graduação da Universidade de Stanford; John Joannopoulos, professor de física de Francis Wright no MIT e diretor do Instituto de Nanotecnologias do Soldado; bem como outros no MIT, Rhode Island College of Design e Brown College.
Foco de fibra
O computador de fibra se baseia em mais de uma década de trabalho no Fibras@mit laboratório no RLE e foi apoiado principalmente por ISN. Em Artigos anterioresos pesquisadores demonstraram métodos para incorporar dispositivos semicondutores, diodos ópticos, unidades de memória, contatos elétricos elásticos e sensores em fibras que poderiam ser formadas em tecidos e roupas.
“Mas atingimos uma parede em termos da complexidade dos dispositivos que poderíamos incorporar na fibra por causa de como estávamos fazendo isso. Tivemos que repensar todo o processo. Ao mesmo tempo, queríamos torná -lo elástico e flexível para corresponder às propriedades dos tecidos tradicionais ”, diz Gupta.
Um dos desafios que os pesquisadores encimaram é a incompatibilidade geométrica entre uma fibra cilíndrica e um chip planar. A conexão de fios a pequenas áreas condutivas, conhecidas como almofadas, na parte externa de cada microdevice planar, provou ser difícil e propenso a falhas, porque os microdominados complexos têm muitas almofadas, tornando cada vez mais difícil encontrar espaço para conectar cada fio de maneira confiável.
Nesse novo design, os pesquisadores mapeiam o alinhamento 2D PAD de cada microdevice a um structure 3D usando uma placa de circuito flexível chamada interposer, que eles embrulharam em um cilindro. Eles chamam isso de design “maki”. Em seguida, eles anexam quatro fios separados às laterais do rolo “maki” e conectaram todos os componentes.
“Esse avanço foi essential para nós em termos de poder incorporar elementos de computação de funcionalidade mais altos, como o microcontrolador e o sensor Bluetooth, na fibra”, diz Gupta.
Essa técnica de dobragem versátil pode ser usada com uma variedade de dispositivos microeletrônicos, permitindo que eles incorporem funcionalidade adicional.
Além disso, os pesquisadores fabricaram o novo computador de fibra usando um tipo de elastômero termoplástico que é várias vezes mais flexível do que os termoplásticos que eles usavam anteriormente. Esse materials lhes permitiu formar uma fibra elástica lavável por máquina que pode esticar mais de 60 % sem falha.
Eles fabricam o computador de fibra usando um processo de desenho térmico que as fibras@MIT Group foram pioneiras no início dos anos 2000. O processo envolve a criação de uma versão macroscópica do computador de fibra, chamada de pré -forma, que contém cada microdevice conectado.
Essa pré-forma é pendurada em uma fornalha, derretida e puxada para baixo para formar uma fibra, que também contém baterias incorporadas de íon de lítio para que ela possa se alimentar.
“Um ex -membro do grupo, Juliette Marion, descobriu como criar condutores elásticos; portanto, mesmo quando você estica a fibra, os condutores não quebram. Podemos manter a funcionalidade enquanto a estica, o que é essential para processos como tricô, mas também para roupas em geral ”, diz Gupta.
Trazer à tona o voto
Depois que o computador de fibra é fabricado, os pesquisadores usam uma técnica de trança para cobrir os fios tradicionais, como poliéster, lã merino, nylon e até seda.
Além de coletar dados sobre o corpo humano usando sensores, cada computador de fibra incorpora LEDs e sensores de luz que permitem que várias fibras em uma peça de roupa se comuniquem, criando uma rede têxtil que pode executar a computação.
Cada computador de fibra também inclui um sistema de comunicação Bluetooth para enviar dados sem fio para um dispositivo como um smartphone, que pode ser lido por um usuário.
Os pesquisadores aproveitaram esses sistemas de comunicação para criar uma rede têxtil costurando quatro computadores de fibra em uma roupa, um em cada manga. Cada fibra administrava uma rede neural independente que foi treinada para identificar exercícios como agachamentos, tábuas, círculos de braço e estocadas.
“O que descobrimos é que a capacidade de um computador de fibra de identificar a atividade humana period apenas 70 % precisa quando localizada em um único membro, os braços ou pernas. No entanto, quando permitimos que as fibras sentadas nos quatro membros para ‘votar’, elas coletivamente atingiram quase 95 % de precisão, demonstrando a importância de residir em várias áreas do corpo e formar uma rede entre computadores de fibra autônomos que não precisam de fios e interconexões ”, diz Fink.
Avançando, os pesquisadores querem usar a técnica interposer para incorporar microdévolos adicionais.
Insights do Ártico
Em fevereiro, uma equipe multinacional equipada com tecidos de computação viajará por 30 dias e 1.000 quilômetros no Ártico. Os tecidos ajudarão a manter a equipe em segurança e preparará o cenário para futuros modelos fisiológicos de “gêmeos digitais”.
“Como líder com mais de uma década de experiência operacional do Ártico, uma das minhas principais preocupações é como manter minha equipe a salvo de lesões debilitantes sobre o tempo frio – uma ameaça primária aos operadores no frio extremo”, diz o main do Exército dos EUA, Mathew Hefner, comandante do Musk Ox II. “Os sistemas convencionais simplesmente não me fornecem uma imagem completa.Estaremos usando os tecidos de computação da camada base nos EUA 24/7 para nos ajudar a entender melhor a resposta do corpo ao frio extremo e, finalmente, prever e prevenir lesões. ”
Karl Friedl, Instituto de Pesquisa do Exército dos EUA de Medicina Ambiental Cientista de Pesquisa Sênior de Fisiologia de Desempenho, observou que a tecnologia de tecido de computação programável do MIT pode se tornar um “gamechanger para a vida cotidiana”.
“Think about computadores de fibra de curto prazo em tecidos e roupas que sentem e respondam ao meio ambiente e ao standing fisiológico do indivíduo, aumentando o conforto e o desempenho, fornecendo monitoramento em saúde em tempo actual e fornecendo proteção contra ameaças externas. Os soldados serão os primeiros adotantes e beneficiários dessa nova tecnologia, integrados aos sistemas de IA usando modelos fisiológicos preditivos e ferramentas relevantes para a missão para melhorar a sobrevivência em ambientes austeros ”, diz Friedl.
“A convergência de fibras e tecidos clássicos com computação e aprendizado de máquina só começou. Estamos explorando esse futuro emocionante, não apenas através de pesquisas e testes de campo, mas, o mais importante, em um curso de computação do Departamento de Ciência e Engenharia do Departamento de Materiais do MIT ‘, ensinou com o professor Anais Misakian da Rhode Island College of Design ”, acrescenta Fink.
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Instituto de Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA para o Soldado Nanotecnology (ISN), a Agência de Redução de Ameaças de Defesa dos EUA, a Fundação Nacional de Ciência dos EUA, a Fundação Fannie e John Hertz Basis, o Programa Paul e a Fundação Soros da Fundação Soros.
