La computadora de fibra permite que la ropa ejecute aplicaciones y ‘comprenda’ al usuario

¿Qué pasa si la ropa que usa podría cuidar su salud? Los investigadores del MIT han desarrollado una computadora programable autónoma en forma de fibra elástica, que podría monitorear las condiciones de salud y la actividad física, alertando al usuario sobre los posibles riesgos para la salud en tiempo real.

La investigación es publicado en el diario Naturaleza.

La ropa que contenía la computadora de fibra era cómoda y era lavable a máquina, y las fibras eran casi imperceptibles para el usuario, informan los investigadores.

A diferencia de los sistemas de monitoreo en el cuerpo conocidos como “wearables”, que se encuentran en un solo punto como el cofre, la muñeca o el dedo, las telas y la ropa tienen la ventaja de estar en contacto con grandes áreas del cuerpo cerca de los órganos vitales. Como tal, presentan una oportunidad única para medir y comprender fisiología humana y salud.

La computadora de fibra contiene una serie de microdevicios, incluidos sensores, un microcontrolador, memoria digital, módulos Bluetooth, comunicaciones ópticas y una batería, que constituyen todos los componentes necesarios de una computadora en una sola fibra elástica.

Los investigadores agregaron cuatro computadoras de fibra a una parte superior y un par de leggings, con las fibras corriendo a lo largo de cada extremidad. En sus experimentos, cada computadora de fibra programable independientemente operaba un modelo de aprendizaje automático que fue capacitado para reconocer de forma autónoma realizada los ejercicios realizados por el usuario, lo que resultó en una precisión promedio de aproximadamente el 70%.

Sorprendentemente, una vez que los investigadores permitieron que las computadoras de fibra individuales se comunicaran entre ellas, su precisión colectiva aumentó a casi el 95%.

“Our bodies broadcast gigabytes of data through the skin every second in the form of heat, sound, biochemicals, electrical potentials, and light, all of which carry information about our activities, emotions, and health. Unfortunately, most, if not all, of it gets absorbed and then lost in the clothes we wear,” says Yoel Fink, a professor of materials science and engineering at MIT, a principal investigator in the Research Laboratory of Electronics (RLE) y el Instituto de Nanotecnologías de Soldado (ISN) y autor principal del documento.

“¿No sería genial si pudiéramos enseñar la ropa a capturar, analizar, almacenar y comunicar esta importante información en forma de valiosos conocimientos de salud y actividad?”

El uso de la computadora de fibra para comprender las condiciones de salud y ayudar a prevenir lesiones pronto también se someterá a una prueba significativa del mundo real. Los miembros del Servicio del Ejército y la Marina de los Estados Unidos llevarán a cabo una misión de investigación de invierno de un mes al Ártico, cubriendo 1,000 kilómetros en temperaturas promedio de -40 grados Fahrenheit.

Docenas de camisas de malla merino de capa base con computadoras de fibra proporcionarán información en tiempo real sobre la salud y la actividad de las personas que participan en esta misión, llamada Musk Ox II.

“En un futuro no muy lejano, las computadoras de fibra nos permitirán ejecutar aplicaciones y obtener valiosos servicios de atención médica y seguridad de la ropa simple y cotidiana. Estamos entusiasmados de ver vislumbres de este futuro en la próxima misión del Ártico a través de nuestros socios en el Ejército de los EE. UU., Dice Fink en el ejército, la Marina y el Darpa. Ayudando a mantener a nuestros miembros del servicio en los entornos más fuertes es un honor y un privilegio, dice Fink.

Se le une al documento por los autores co-líder Nikhil Gupta, estudiante graduado de ciencias e ingeniería de materiales; Henry Cheung Meng; y Syamantak Payra, actualmente estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford; John Joannopoulos, profesor de física de Francis Wright y director del Instituto de Nanotecnologías de Soldado; así como otros en el MIT, Rhode Island School of Design y Brown University.

Fibra de enfoque

La computadora de fibra se basa en más de una década de trabajo en el laboratorio Fibers@MIT en el RLE y fue apoyada principalmente por ISN. En trabajo anteriorlos investigadores demostraron métodos para incorporar dispositivos semiconductoresdiodos ópticos, unidades de memoria, contactos eléctricos elásticos y sensores en fibras que podrían formarse en telas y prendas.

“Pero llegamos a una pared en términos de la complejidad de los dispositivos que podríamos incorporar a la fibra debido a cómo lo estábamos haciendo. Tuvimos que repensar todo el proceso. Al mismo tiempo, queríamos hacerlo elástico y flexible para que coincidiera con las propiedades de las telas tradicionales”, dice Gupta.

Uno de los desafíos que los investigadores superaron es el desajuste geométrico entre una fibra cilíndrica y un chip plano. Conectar cables a áreas conductoras pequeñas, conocidas como almohadillas, en el exterior de cada microdisevice plano demostró ser difícil y propenso a la falla porque los microdvisos complejos tienen muchas almohadillas, lo que hace que sea cada vez más difícil encontrar espacio para conectar cada cable de manera confiable.

En este nuevo diseño, los investigadores mapean la alineación de la almohadilla 2D de cada microdervice a un diseño 3D utilizando una placa de circuito flexible llamada interposer, que envolvieron en un cilindro. Llaman a esto el diseño “maki”. Luego, unen cuatro cables separados a los lados del rollo “maki” y conectaron todos los componentes juntos.

“Este avance fue crucial para nosotros en términos de poder incorporar elementos informáticos de mayor funcionalidad, como el microcontrolador y el sensor Bluetooth, en la fibra”, dice Gupta.

Esta técnica de plegamiento versátil podría usarse con una variedad de dispositivos microelectrónicos, lo que les permite incorporar funcionalidad adicional.

Además, los investigadores fabricaron la nueva computadora de fibra utilizando un tipo de elastómero termoplástico que es varias veces más flexible que los termoplásticos que usaron anteriormente. Este material les permitió formar una fibra elástica y lavable a máquina que puede estirarse más del 60 por ciento sin falla.

Fabrican la computadora de fibra utilizando un proceso de sorteo térmico que el grupo Fibers@MIT fue pionero a principios de la década de 2000. El proceso implica la creación de una versión macroscópica de la computadora de fibra, llamada preforma, que contiene cada microdevice conectado.

Esta preforma se cuelga en un horno, se derrite y se derriba para formar una fibra, que también contiene baterías de iones de litio incrustadas para que pueda alimentarse.

“Una ex miembro del grupo, Juliette Marion, descubrió cómo crear conductores elásticos, por lo que incluso cuando estira la fibra, los conductores no se rompen. Podemos mantener la funcionalidad mientras la estiramos, lo cual es crucial para procesos como el tejido, pero también para la ropa en general”, dice Gupta.

Resaltar el voto

Una vez que se fabrica la computadora de fibra, los investigadores usan una técnica de trenzado para cubrir la fibra con hilos tradicionales, como poliéster, lana merina, nylon e incluso seda.

Además de recopilar datos sobre el cuerpo humano utilizando sensores, cada computadora de fibra incorpora LED y sensores de luz que permiten que múltiples fibras en una prenda se comuniquen, creando una red textil que puede realizar el cálculo.

Cada computadora de fibra también incluye un sistema de comunicación Bluetooth para enviar datos de forma inalámbrica a un dispositivo como un teléfono inteligente, que puede ser leído por un usuario.

Los investigadores aprovecharon estos sistemas de comunicación para crear una red textil cosiendo cuatro computadoras de fibra en una prenda, una en cada manga. Cada fibra ejecutaba una red neuronal independiente que fue entrenada para identificar ejercicios como sentadillas, tablas, círculos de brazos y estocadas.

“Lo que encontramos es que la capacidad de una computadora de fibra para identificar la actividad humana era solo un 70 por ciento precisa cuando se ubicaba en una sola extremidad, los brazos o las piernas. Sin embargo, cuando permitimos que las fibras se sentaron en las cuatro extremidades para ‘votar’, colectivamente, casi el 95 por ciento de la precisión, demostrando la importancia de residir en múltiples áreas corporales y formar una red entre autónomos que no necesitan cejas e interconnect y interconnect.

En el futuro, los investigadores quieren usar la técnica InterpoSer para incorporar microdvisos adicionales.

Insights del Ártico

En febrero, un equipo multinacional equipado con telas informáticas viajará durante 30 días y 1,000 kilómetros en el Ártico. Las telas ayudarán a mantener el equipo seguro y prepararán el escenario para futuros modelos fisiológicos de “hermanamiento digital”.

“Como líder con más de una década de experiencia operativa del Ártico, una de mis principales preocupaciones es cómo mantener a mi equipo a salvo de las lesiones debilitantes del clima frío: una amenaza principal para los operadores en el frío extremo. Los sistemas convencionales simplemente no me proporcionan una imagen completa. Comandante de Musk Ox II.

Karl Friedl, Científico de Investigación Senior del Ejército de los Estados Unidos de Fisiología del rendimiento señaló que el MIT programable informática de la tecnología de tela puede convertirse en un “Gamechanger para la vida cotidiana”.

“Imagine las computadoras de fibra a corto plazo en telas y ropa que sienten y responden al medio ambiente y al estado fisiológico del individuo, aumentan la comodidad y el rendimiento, proporcionan monitoreo de la salud en tiempo real y brindan protección contra amenazas externas”, dice Friedl.

“Los soldados serán los primeros en adoptar y beneficiarios de esta nueva tecnología, integradas con sistemas de IA utilizando modelos fisiológicos predictivos y herramientas relevantes para la misión para mejorar la supervivencia en entornos austeros.

“La convergencia de las fibras y telas clásicas con la computación y el aprendizaje automático solo ha comenzado. Estamos explorando este emocionante futuro no solo a través de la investigación y las pruebas de campo, sino más bien en un curso de MIT de Ciencia e Ingeniería del Departamento de Materiales ‘Las telas de computación’, enseñadas por el profesor Anais Missakian de la Escuela de Diseño de Rhode Island”, agrega Fink.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, la innovación y la enseñanza.