“黑科技”纖維計算機誕生，重量僅僅5克

作者：李傳福

在當今科技飛速發(fā)展的時代，可穿戴設備已經逐漸融入了我們的日常生活。從智能手表到健康監(jiān)測手環(huán)，這些設備為我們提供了諸多便利，但同時也面臨著一些難以克服的限制。

可穿戴設備的種類和功能不斷增加，包括手表、腕帶、戒指和胸帶式設備等。這些設備主要用于采集身體相關信號，如心率、運動軌跡、體溫等，以幫助用戶更好地了解自己的健康狀況。然而，現(xiàn)有的可穿戴設備存在一些明顯的局限性。首先，這些設備通常會增加額外的重量，長時間佩戴可能會讓用戶感到不適。其次，它們的形狀較為僵硬，難以適應人體的復雜運動。此外，這些設備大多依賴單一節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，無法全面捕捉人體分布式生理信號，例如多部位的運動、溫度和光信號等。這些限制在一定程度上制約了可穿戴設備的發(fā)展和應用。

為了解決傳統(tǒng)可穿戴設備的這些問題，麻省理工學院的研究團隊開發(fā)了一種柔性、彈性、可機洗的纖維計算機。這種纖維計算機僅重 5 克，卻將傳感、計算、存儲和通信功能集成于單根纖維，并構建了分布式紡織網(wǎng)絡，能夠更好地滿足人體生理監(jiān)測的需求。

纖維計算機的制造過程采用了創(chuàng)新的柔性電路板技術。研究團隊將平面微型設備（如 32 位浮點微控制器、傳感器等）的二維引腳布局映射為三維圓柱形排列，使其能夠適配纖維的幾何結構。然后，他們將銅導線與微型設備封裝在彈性聚合物中，形成了一種可拉伸（超過 60% 應變）且耐機洗的纖維。這種纖維不僅支持編織、針織等紡織工藝，還集成了 8 種微型設備，包括微控制器、藍牙低功耗芯片、加速度計、光傳感器等。

纖維計算機的另一個重要創(chuàng)新是其分布式紡織網(wǎng)絡的構建。通過在纖維內集成發(fā)光二極管和光傳感器，并利用編織聚合物波導實現(xiàn)多纖維間的光信號傳輸，該網(wǎng)絡支持 10赫茲的帶寬。同時，通過 BLE 模塊構建了分布式無線網(wǎng)絡，能夠實現(xiàn)多節(jié)點數(shù)據(jù)的聚合。此外，纖維中還集成了微型鋰離子電池，可為纖維計算機供電 6 小時，并支持動態(tài)電壓調節(jié)。

纖維計算機在生理監(jiān)測和分布式推斷方面的表現(xiàn)尤為出色。利用加速度計和光電容積描記傳感器，纖維計算機可以實時監(jiān)測心率與運動數(shù)據(jù)。通過嵌入式微控制器實現(xiàn)信號濾波與特征提取，能夠更準確地分析生理信號。在四纖維網(wǎng)絡中，各節(jié)點運行獨立訓練的神經網(wǎng)絡，并通過加權投票機制聚合結果，將活動分類準確率從單節(jié)點的大約 70% 提升至 95%。這種分布式推斷方式不僅提高了監(jiān)測的準確性，還為多節(jié)點協(xié)同工作提供了新的思路。

纖維計算機的出現(xiàn)，為可穿戴設備的發(fā)展帶來了全新的范式。它通過折疊式中介層技術解決了傳統(tǒng)微電子與纖維幾何結構的拓撲失配問題，并結合熱拉工藝實現(xiàn)了可拉伸、耐機洗且支持紡織工藝的全功能纖維計算機。此外，通過構建光學波導與藍牙雙模通信網(wǎng)絡，纖維計算機突破了剛性互聯(lián)的限制，實現(xiàn)了多纖維分布式推理，大大提高了活動分類的準確率。

纖維計算機的應用前景非常廣闊。在醫(yī)療領域，它可以為患者提供更全面、更精準的健康監(jiān)測，幫助醫(yī)生更好地了解患者的病情。在運動康復方面，纖維計算機能夠實時監(jiān)測運動員的身體狀態(tài)，為康復訓練提供科學依據(jù)。此外，纖維計算機還可以應用于智能家居、智能服裝等多個領域，為人們的生活帶來更多的便利。

纖維計算機的誕生是可穿戴設備領域的一次重大突破。它不僅解決了傳統(tǒng)可穿戴設備的諸多限制，還為未來的發(fā)展提供了新的方向。通過全身分布式信號采集與邊緣計算，纖維計算機能夠更好地滿足人體生理監(jiān)測的需求。未來，隨著微型化技術的不斷進步和算法的進一步優(yōu)化，纖維計算機的功能將更加豐富，性能也將更加出色。我們有理由相信，纖維計算機將在醫(yī)療、運動康復等領域發(fā)揮重要作用，為人們的健康生活保駕護航。