5 دقیقه
دانشمندان یک «رایانه فیبری» قابل انعطاف و قابل شستوشو را نشان داده‌اند که حسگری، پردازش، ارتباط و ذخیره‌سازی را داخل یک رشتهٔ کشسان پارچه جاسازی میکند. این مطالعه که در ۶ ژوئن در Nano-Micro Letters منتشر شد، فیبری را توصیف میکند که هشت ماژول الکترونیکی — از جمله چند حسگر، یک میکروکنترلر، رابطهای ارتباطی و مدارهای مدیریت توان — را یکپارچه میکند و تا حدود ۶۰٪ کش میآید و در عین حال در ماشین لباسشویی سالم می‌ماند. هدف بلندمدت، بافتن تعداد زیادی از چنین فیبرهایی در لباس‌ها است تا حسگری توزیع‌شده و پردازش در سطح پارچه برای پایش سلامت، تعامل انسان-ماشین و منسوجات تطبیقی انجام شود. (اعتبار تصویر: Parlaungan Hasibuan/Getty Images)
زمینهٔ علمی: نساجی هوشمند و محدودیت‌های پیش‌روی آن
نساجی هوشمند (که به آن e-textiles یا پارچههای هوشمند نیز گفته میشود) ترکیب الیاف با قطعات الکترونیکی است تا لباس‌ها و مواد نرم را به قابلیت‌های جدیدی مانند حسگری، عملگر و انتقال داده مجهز کند. پروژه‌های اولیه مثل پلتفرم LilyPad (۲۰۰۷) الکترونیک قابل دوخت را برای پوشاک تعاملی، اسباب‌بازی‌ها و نمونههای تحقیقاتی قابل دسترس ساختند. اما محدودیت رایج این بود که خود فیبرها غیرفعال بودند: هوش و انرژی معمولاً در ماژولهای سختی متمرکز است که به پارچه متصل می‌شوند و این امر قابلیت شستوشو، راحتی و رزولوشن مکانی حسگری را محدود میکند.
نحوه ساخت رایانهٔ فیبری
دستگاه‌ها و مواد یکپارچه
این فیبر جدید هشت دستگاه را در یک رشتهٔ کشسان واحد گردآوری میکند. این‌ها شامل چهار حسگر — یک فوتودتکتور، حسگر دما، شتاب‌سنج و یک حسگر فوتوپلتیسموگرافی (PPG) که جذب نور پوست را برای استخراج سیگنال‌های قلبی‌عروقی اندازه‌گیری میکند — به‌علاوه یک میکروکنترلر برای پردازش محلی، دو ماژول ارتباطی برای تبادل داده بین فیبرها، و مدارهای مدیریت توان هستند. به‌طور ترکیبی، سخت‌افزار امکان گردآوری داده، استنتاج محلی، ذخیرهٔ موقت و ارسال بیسیم نتایج را فراهم میکند.
این فیبر قابلیت‌های مکانیکی کاربردی را حفظ میکند: حدود ۶۰٪ کش میآید و قابل شستوشو در ماشین لباسشویی است که برای پوشاک روزمره ضروری است. این دوام طراحی را به گزینه‌ای مناسب برای لباس‌هایی که قرار است بارها استفاده شوند بدل میکند، نه فقط نمونههای تکمنظوره آزمایشی.
آزمایش عملکرد و استنتاج توزیع‌شده
برای ارزیابی عملکرد در شرایط واقعی، پژوهشگران چهار رشتهٔ هوشمند از این نوع را در یک پوشاک بافتند — دو رشته در آستین و دو رشته در ساق شلوار — و سپس از یک فرد خواستند تمرینات بدنی با وزن بدن مانند اسکوات، لانج و پلانک را انجام دهد. هر فیبر مدل شبکهٔ عصبی آموزش‌دیدهٔ خودش را برای تشخیص حرکت اجرا کرد. یک فیبر به دقت ۶۷٪ در شناسایی حرکات فردی رسید؛ وقتی هر چهار فیبر به‌طور مشترک استفاده شدند، دقت طبقه‌بندی تا ۹۵٪ افزایش یافت.
نویسندگان مطالعه نوشتند: «افزایش عملکرد نشان‌دهندهٔ توان حسگری مشارکتی چند فیبری و استدلال توزیع‌شده است»، و تأکید کردند که محاسبات محلی در هر گرهٔ حسگری همراه با تصمیم‌گیری شبکه‌ای، دقت بالاتر و سامانه‌های پوشیدنی مقاوم‌تری را به ارمغان می‌آورد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا پارک، مهندس سامانه‌های پوشیدنی (ساختگی) می‌گوید: «این کار گامی مهم به سوی هوشمندی واقعاً تعبیه‌شده در پوشیدنی‌هاست. قابل شستوشو و کشسان بودن فیبرها دو مانع اصلی کاربرد در دنیای واقعی را رفع میکند. چالشهای بعدی کارایی توان و ارتباط کم‌تاخیر خواهد بود تا مدل‌های توزیع‌شده بتوانند به‌طور مداوم بدون باتری‌های حجیم اجرا شوند.»
پیامدها، محدودیت‌ها و جهت‌های آینده
این پژوهش به چند کاربرد امیدوارکننده اشاره میکند: پایش پیوستهٔ سلامت (نشانه‌های حیاتی و فعالیت)، لباسهای توانبخشی فیزیکی که بازخورد لحظهای ارائه می‌دهند، پارچههای تعاملی برای بهبود عملکرد ورزشی، و نمایشگرها یا رابطهای بافتهشده که پردازش در سراسر پارچه توزیع شده است. جاسازی حسگرها در نقاط متعدد امکان رزولوشن فضایی و زمانی دقیق‌تری از سیگنال‌های زیستی نسبت به دستگاه‌های مرسوم مانند پچ‌ها یا پوشیدنی‌های مچی فراهم می‌آورد.
در عین حال، نویسندگان موانع فنی را نیز می‌پذیرند. مقیاس‌بندی شبکه‌ای از رایانه‌های فیبری نیازمند پروتکلهای ارتباطی بین فیبری کارآمدتر با پهنای باند بیشتر و تأخیر کمتر، مصرف انرژی کاهش‌یافته برای عملکرد درازمدت و پهنای باند وسیع‌تر برای داده‌های غنی‌تر حسگرها است. توان همچنان محدودیت‌ساز است: احتمالاً ادغام عناصر برداشت انرژی یا پردازندههای عصبی بسیار کممصرف برای استفادهٔ پیوسته و بیسیم لازم خواهد بود.
فناوری‌های مرتبط و زمینه
رایانش فیبری با حوزه‌های نوظهوری مانند یادگیری ماشین روی بدن، واحدهای پردازش عصبی تغذیه‌شده با نور (برای کاهش مصرف انرژی) و جوهرهای الکترونیکی انعطاف‌پذیر که مدارهای قابل بازپیکربندی را ممکن می‌سازند تلاقی دارد. پیشرفت‌ها در مواد کوانتومی و نیمه‌هادی‌های کممصرف میتواند در سال‌های آینده عملکرد به‌ازای وات پردازندههای تعبیه‌شده در پارچه را بهبود بخشد.
نتیجه‌گیری
نمایش یک فیبر کشسان و مقاوم در برابر شستوشو که شامل حسگرها، یک میکروکنترلر و ماژولهای ارتباطی است، پیشرفتی معنادار در نساجی هوشمند به‌شمار میآید. با ترکیب استنتاج عصبی محلی و همکاری شبکه‌ای میان چندین فیبر، پژوهشگران به افزایش قابل توجهی در دقت شناسایی فعالیت‌ها دست یافتند. تحقق پوشاک رایانشی فیبری در مقیاس عملیاتی و بزرگ‌مقیاس نیازمند پیشرفت در کارایی انرژی، پروتکلهای ارتباطی و تولید است، اما این رویکرد مسیر روشنی به سوی لباس‌هایی که به‌عنوان یک سامانهٔ یکپارچه می‌توانند حس کنند، محاسبه کنند و واکنش نشان دهند، باز میکند.
منبع: livescience
.avif)
نظرات