Sẽ thế nào nếu quần áo bạn mặc có thể chăm sóc sức khỏe của bạn? Các nhà nghiên cứu MIT đã phát triển một máy tính lập trình tự động dưới dạng sợi đàn hồi, có thể theo dõi tình trạng sức khỏe và hoạt động thể chất, cảnh báo người mặc về các rủi ro sức khỏe tiềm ẩn theo thời gian thực.
Thiếu tá Hefner của Quân đội Hoa Kỳ đang tập luyện ở Na Uy khi mặc lớp nền máy tính Fiber. Tín dụng: Phòng nghiên cứu và kỹ thuật vùng lạnh của Quân đội Hoa Kỳ
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.
Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng quần áo chứa sợi máy tính rất thoải mái và có thể giặt bằng máy, và người mặc gần như không nhận thấy các sợi vải.
Không giống như các hệ thống theo dõi trên cơ thể được gọi là "thiết bị đeo", được đặt tại một điểm duy nhất như ngực, cổ tay hoặc ngón tay, vải và trang phục có lợi thế là tiếp xúc với các vùng rộng lớn của cơ thể gần các cơ quan quan trọng. Do đó, chúng mang đến cơ hội độc đáo để đo lường và hiểu về sinh lý và sức khỏe của con người.
Máy tính sợi quang chứa một loạt các thiết bị vi mô, bao gồm cảm biến, bộ vi điều khiển, bộ nhớ kỹ thuật số, mô-đun Bluetooth, truyền thông quang học và pin, tạo nên tất cả các thành phần cần thiết của máy tính trong một sợi đàn hồi duy nhất.
Các nhà nghiên cứu đã thêm bốn máy tính sợi vào một chiếc áo và một đôi quần legging, với các sợi chạy dọc theo mỗi chi. Trong các thí nghiệm của họ, mỗi máy tính sợi có thể lập trình độc lập vận hành một mô hình máy học được đào tạo để tự động nhận dạng các bài tập do người mặc thực hiện, mang lại độ chính xác trung bình khoảng 70%.
Điều đáng ngạc nhiên là khi các nhà nghiên cứu cho phép từng máy tính sợi quang giao tiếp với nhau thì độ chính xác chung của chúng tăng lên gần 95%.
"Cơ thể chúng ta truyền hàng gigabyte dữ liệu qua da mỗi giây dưới dạng nhiệt, âm thanh, chất sinh hóa, điện thế và ánh sáng, tất cả đều mang thông tin về các hoạt động, cảm xúc và sức khỏe của chúng ta. Thật không may, hầu hết, nếu không muốn nói là tất cả, dữ liệu đó đều bị hấp thụ và sau đó bị mất trong quần áo chúng ta mặc", Yoel Fink, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại MIT, nhà nghiên cứu chính tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu điện tử (RLE) và Viện công nghệ nano dành cho quân nhân (ISN) và là tác giả chính của bài báo cho biết.
"Sẽ thật tuyệt nếu chúng ta có thể dạy quần áo cách thu thập, phân tích, lưu trữ và truyền đạt thông tin quan trọng này dưới dạng thông tin chi tiết có giá trị về sức khỏe và hoạt động phải không?"
Việc sử dụng máy tính sợi quang để hiểu tình trạng sức khỏe và giúp ngăn ngừa thương tích cũng sẽ sớm trải qua một cuộc thử nghiệm thực tế quan trọng. Các thành viên của Quân đội và Hải quân Hoa Kỳ sẽ tiến hành một nhiệm vụ nghiên cứu mùa đông kéo dài một tháng ở Bắc Cực, bao phủ 1.000 km trong nhiệt độ trung bình -40 độ F.
Hàng chục chiếc áo lưới merino lót bên trong có gắn máy tính sợi sẽ cung cấp thông tin thời gian thực về sức khỏe và hoạt động của những cá nhân tham gia nhiệm vụ này, được gọi là Musk Ox II.
"Trong tương lai không xa, máy tính sợi quang sẽ cho phép chúng ta chạy các ứng dụng và nhận được các dịch vụ chăm sóc sức khỏe và an toàn có giá trị từ trang phục hàng ngày đơn giản. Chúng tôi rất vui mừng khi thấy được những tia sáng của tương lai này trong sứ mệnh Bắc Cực sắp tới thông qua các đối tác của chúng tôi tại Quân đội Hoa Kỳ, Hải quân và DARPA. Giúp giữ an toàn cho các quân nhân của chúng tôi trong những môi trường khắc nghiệt nhất là một vinh dự và đặc ân", Fink nói.
Tham gia cùng ông trong bài báo này còn có các đồng tác giả chính là Nikhil Gupta, một nghiên cứu sinh về khoa học vật liệu và kỹ thuật; Henry Cheung MEng; và Syamantak Payra, hiện là nghiên cứu sinh tại Đại học Stanford; John Joannopoulos, Giáo sư Vật lý Francis Wright và giám đốc Viện Công nghệ nano Chiến binh; cũng như những người khác tại MIT, Trường Thiết kế Rhode Island và Đại học Brown.
Sợi máy tính thắt nút. Tín dụng: Yoel Fink
Tập trung sợi
Máy tính sợi được xây dựng dựa trên hơn một thập kỷ làm việc tại phòng thí nghiệm Fibers@MIT tại RLE và được hỗ trợ chủ yếu bởi ISN. Trong công trình trước đây, các nhà nghiên cứu đã chứng minh các phương pháp kết hợp các thiết bị bán dẫn, điốt quang, bộ nhớ, tiếp điểm điện đàn hồi và cảm biến vào các sợi có thể được tạo thành vải và hàng may mặc.
"Nhưng chúng tôi đã gặp phải rào cản về độ phức tạp của các thiết bị mà chúng tôi có thể kết hợp vào sợi vì cách chúng tôi tạo ra nó. Chúng tôi phải suy nghĩ lại toàn bộ quy trình. Đồng thời, chúng tôi muốn làm cho nó có tính đàn hồi và linh hoạt để phù hợp với các đặc tính của vải truyền thống", Gupta nói.
Một trong những thách thức mà các nhà nghiên cứu phải vượt qua là sự không phù hợp về mặt hình học giữa sợi hình trụ và chip phẳng. Việc kết nối dây với các vùng dẫn điện nhỏ, được gọi là miếng đệm, ở bên ngoài mỗi thiết bị vi mô phẳng tỏ ra khó khăn và dễ hỏng vì các thiết bị vi mô phức tạp có nhiều miếng đệm, khiến việc tìm chỗ để gắn từng dây một cách đáng tin cậy ngày càng trở nên khó khăn.
Trong thiết kế mới này, các nhà nghiên cứu lập bản đồ căn chỉnh pad 2D của mỗi thiết bị siêu nhỏ thành bố cục 3D bằng cách sử dụng một bảng mạch linh hoạt gọi là interposer, được họ quấn thành một hình trụ. Họ gọi đây là thiết kế "maki". Sau đó, họ gắn bốn dây riêng biệt vào các mặt của cuộn "maki" và kết nối tất cả các thành phần lại với nhau.
Gupta cho biết: "Tiến bộ này rất quan trọng đối với chúng tôi về khả năng kết hợp các thành phần điện toán có chức năng cao hơn, như bộ vi điều khiển và cảm biến Bluetooth, vào sợi quang".
Kỹ thuật gấp đa năng này có thể được sử dụng với nhiều loại thiết bị vi điện tử, cho phép chúng tích hợp thêm chức năng.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã chế tạo máy tính sợi mới bằng một loại elastomer nhiệt dẻo có độ đàn hồi cao hơn nhiều lần so với loại elastomer nhiệt dẻo mà họ đã sử dụng trước đây. Vật liệu này cho phép họ tạo ra sợi đàn hồi có thể giặt bằng máy, có thể kéo dài hơn 60 phần trăm mà không bị hỏng.
Họ chế tạo máy tính sợi quang bằng quy trình kéo nhiệt mà nhóm Fibers@MIT tiên phong vào đầu những năm 2000. Quy trình này bao gồm việc tạo ra phiên bản vĩ mô của máy tính sợi quang, được gọi là phôi, chứa từng thiết bị vi mô được kết nối.
Phôi này được treo trong lò, nấu chảy và kéo xuống để tạo thành sợi, bên trong sợi còn chứa pin lithium-ion để có thể tự cung cấp năng lượng.
"Một cựu thành viên của nhóm, Juliette Marion, đã tìm ra cách tạo ra các dây dẫn đàn hồi, do đó ngay cả khi bạn kéo căng sợi, các dây dẫn vẫn không bị đứt. Chúng tôi có thể duy trì chức năng trong khi kéo căng sợi, điều này rất quan trọng đối với các quy trình như đan lát, nhưng cũng quan trọng đối với quần áo nói chung", Gupta cho biết.
Bện sợi máy tính bằng sự kết hợp của sợi kim loại và sợi dệt. Tín dụng: Hamilton Osoy, IFM
Đưa ra phiếu bầu
Sau khi chế tạo xong máy tính sợi, các nhà nghiên cứu sử dụng kỹ thuật bện để phủ sợi bằng các loại sợi truyền thống như polyester, len merino, nylon và thậm chí cả lụa.
Ngoài việc thu thập dữ liệu về cơ thể con người bằng cảm biến, mỗi máy tính sợi quang còn tích hợp đèn LED và cảm biến ánh sáng cho phép nhiều sợi trong một loại vải giao tiếp với nhau, tạo ra mạng lưới dệt may có thể thực hiện tính toán.
Mỗi máy tính cáp quang cũng bao gồm hệ thống truyền thông Bluetooth để gửi dữ liệu không dây đến một thiết bị như điện thoại thông minh, có thể được người dùng đọc.
Các nhà nghiên cứu đã tận dụng các hệ thống truyền thông này để tạo ra một mạng lưới dệt may bằng cách khâu bốn máy tính sợi vào một bộ quần áo, mỗi máy ở một ống tay áo. Mỗi sợi chạy một mạng lưới thần kinh độc lập được đào tạo để xác định các bài tập như squat, plank, arm circle và lunges.
"Những gì chúng tôi phát hiện ra là khả năng của máy tính sợi quang trong việc xác định hoạt động của con người chỉ chính xác khoảng 70 phần trăm khi đặt trên một chi duy nhất, cánh tay hoặc chân. Tuy nhiên, khi chúng tôi cho phép các sợi quang nằm trên cả bốn chi 'bỏ phiếu', chúng đạt độ chính xác gần 95 phần trăm, chứng minh tầm quan trọng của việc nằm trên nhiều vùng cơ thể và hình thành mạng lưới giữa các máy tính sợi quang tự động không cần dây và kết nối", Fink nói.
Tiến về phía trước, các nhà nghiên cứu muốn sử dụng kỹ thuật xen kẽ để kết hợp thêm các thiết bị vi mô khác.
Những hiểu biết sâu sắc về Bắc Cực
Vào tháng 2, một nhóm đa quốc gia được trang bị vải điện toán sẽ đi du lịch trong 30 ngày và 1.000 km ở Bắc Cực. Các loại vải sẽ giúp nhóm an toàn và thiết lập bối cảnh cho các mô hình "song sinh kỹ thuật số" sinh lý trong tương lai.
"Là một nhà lãnh đạo có hơn một thập kỷ kinh nghiệm hoạt động ở Bắc Cực, một trong những mối quan tâm chính của tôi là làm thế nào để giữ cho nhóm của mình an toàn khỏi những chấn thương do thời tiết lạnh giá gây suy nhược—một mối đe dọa chính đối với các nhà điều hành trong điều kiện giá lạnh khắc nghiệt. Các hệ thống thông thường không cung cấp cho tôi bức tranh toàn cảnh. Chúng tôi sẽ mặc lớp vải điện toán cơ bản trên người 24/7 để giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về phản ứng của cơ thể đối với cái lạnh khắc nghiệt và cuối cùng là dự đoán và ngăn ngừa chấn thương", Thiếu tá Lục quân Hoa Kỳ Hefner, chỉ huy của Musk Ox II, cho biết.
Karl Friedl, nhà khoa học nghiên cứu cấp cao về sinh lý học hiệu suất của Quân đội Hoa Kỳ, lưu ý rằng công nghệ vải máy tính lập trình của MIT có thể trở thành "bước đột phá trong cuộc sống hàng ngày".
Friedl cho biết: "Hãy tưởng tượng những chiếc máy tính sợi quang trong vải và trang phục có thể cảm nhận và phản ứng với môi trường và trạng thái sinh lý của cá nhân, tăng sự thoải mái và hiệu suất, cung cấp khả năng theo dõi sức khỏe theo thời gian thực và bảo vệ chống lại các mối đe dọa bên ngoài".
"Binh lính sẽ là những người đầu tiên áp dụng và hưởng lợi từ công nghệ mới này, được tích hợp với các hệ thống AI sử dụng các mô hình sinh lý dự đoán và các công cụ liên quan đến nhiệm vụ để tăng cường khả năng sống sót trong môi trường khắc nghiệt.
"Sự hội tụ của sợi và vải cổ điển với công nghệ tính toán và máy học chỉ mới bắt đầu. Chúng tôi đang khám phá tương lai thú vị này không chỉ thông qua nghiên cứu và thử nghiệm thực tế, mà quan trọng hơn là trong khóa học 'Vải tính toán' của Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu MIT, do Giáo sư Anais Missakian từ Trường Thiết kế Rhode Island giảng dạy", Fink nói thêm.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
