La традиционна електроника от твърд силицийСтарата технология, монтирана на печатни платки и капсулирана в пластмасови устройства, е изпреварена от нов претендент, който прави силен натиск: чипове, интегрирани в ултратънки влакна, буквално по-тънки от човешки косъм. Тази идея, която преди няколко години звучеше като научна фантастика, сега е подкрепена от експериментални резултати, публикувани в престижни списания като Nature.
Група изследователи от Университет Фудан в Шанхай Те са успели да изградят цялостни интегрални схеми в гъвкава нишка, способна да се огъва, разтяга и да издържа на брутални сили, без да губи функционалност. Говорим за влакна, които интегрират десетки хиляди транзистори с милиметри дължина, с... капацитет за обработка, сравним с този на търговските чипове използвани в домашни компютри или биомедицински импланти. А най-хубавото е, че този формат позволява буквално вплитане на компютърни технологии в дрехитебиологични тъкани и предмети от бита.
Какво представлява чипът, направен от влакно, по-тънко от човешки косъм?
Когато говорим за a чип на базата на влакна, по-тънък от косъмТова не е просто обикновен проводник с прикрепена отвън електроника, а истинска интегрална схема, навита върху себе си и капсулирана в полимерна нишка. Типичният диаметър е около 50 микрометра, приблизително колкото дебелината на човешки косъм, но в това малко пространство се крие цялостна, функционална микроелектронна система.
Тези обаждания оптични интегрални схеми или FIC (оптични интегрални схеми) Те комбинират транзистори, резистори, кондензатори, диоди, свързващи линии, памет и блокове за обработка на сигнали в рамките на цилиндрична геометрия. Благодарение на това, оптичното влакно не е ограничено до предаване или отчитане, но може също... обработва информацията локално, извършват логически операции, филтрират сигнали и дори изпълняват основни задачи за разпознаване на изображения, използвайки прости невронни мрежи.
Основната разлика в сравнение с предишните поколения електронни влакна е... плътност на интеграцияЕкипът на Фудан е постигнал до 100 000 транзистора на сантиметър влакно, отговаряйки на критериите за ултрамащабна интеграция (VLSI), характеризиращи чиповете с общо предназначение. На практика това означава, че един метър от това влакно може да съдържа брой транзистори, сравними с тези на типичен настолен процесор.
От функционална гледна точка, всеки сегмент от нишката се държи като самостоятелна микрокомпютърна системаТой има активни и пасивни компоненти, памет, възможности за обработка на данни и възможности за външна комуникация. Не е просто разширен сензор, а интелигентен възел, който може да се умножава сантиметър по сантиметър по дължина на дреха или имплант.
Няколко специализирани медии и академични публикации подчертаха, че този напредък представлява качествен скок в сравнение със сегашните носими решения, които зависят от... твърди модули, зашити или залепени към тъканите и външните процесори, за да извършат всяка съответна операция.
Архитектура: трикът „суши“ за поставяне на чип върху конец
Основната пречка пред изграждането на чип в толкова тънко влакно Не става въпрос само за материали, но и за геометрия: класическата микроелектроника се произвежда върху плоски силициеви пластини, използвайки фотолитография, изключително прецизен процес, предназначен за гладки повърхности. Гравирането на сложни схеми директно върху цилиндър с дебелина на човешки косъм е практически невъзможно със стандартните техники.
За да заобиколят това ограничение, екипът на Фудан прибягна до гениална стратегия, вдъхновена от Как да навиете маки или суши ролПърво, те произвеждат всички компоненти (транзистори, кондензатори, резистори, междуконектори) върху плосък лист от еластичен полимер, използвайки инструменти за фотолитография и плазмено ецване, много подобни на тези в полупроводниковата индустрия.
След като 2D веригата е завършена, този лист се покрива с плътен полимерен филм който действа като защитна броня, намалявайки грапавостта на повърхността до под един нанометър. Това е ключово за литографията да работи с микрометрова прецизност и да се избегнат дефекти, които биха могли да счупят релсите при навиването им.
Следващата стъпка е да навиете листа върху себе си, следвайки многослойна спирална архитектураСлой по слой, подобно на компактна ролка, веригата е опакована в спираловидна форма вътре във влакното. Този геометричен трик позволява екстремно използване на вътрешния обем на влакното: където преди можеше да се побере само един проводник, сега се помещава триизмерна верига с хиляди активни устройства.
Накрая, целият възел е херметически запечатан в гъвкаво полимерно покритие, което води до... непрекъсната, гъвкава и перфектно изолирана нишкаТози процес не използва традиционни твърди пластини, което нарушава схващането, прието в продължение на десетилетия, че „чиповете могат да бъдат направени само от силиций и плоски“.
Впечатляващи данни за производителност и интеграция
Един от аспектите, който най-много е привлякъл вниманието на научната и технологичната общност, е интеграционен капацитет, постигнат в толкова малко пространствоС прецизността на лабораторната фотолитография от около един микрометър, китайският екип е успял да вмъкне около 10 000 транзистора само в един милиметър влакно, а в определени конфигурации - до 100 000 транзистора на сантиметър.
Ако тази плътност се екстраполира, нишка с дължина един метър би могла да натрупа брой транзистори, приближаващи се до порядъка на класически централен процесорВъпреки че все още има значителни разлики в сравнение с висок клас търговски процесори, идеята, че текстилна нишка може да притежава изчислителна мощност, сравнима с биомедицински или контролни чипове, със сигурност е интригуваща.
В допълнение към простия брой транзистори, трябва да се вземе предвид и интегрирана функционалностВ допълнение към транзисторите, оптичното влакно включва пасивни компоненти като резистори и кондензатори, диоди, памет и блокове за аналогова и цифрова обработка. Демонстрираните прототипи са били способни да управляват смесени сигнали, да изпълняват логически операции, да контролират изходни модели (например, да показват прости изображения върху тъкани панели) и дори да реализират основни задачи за разпознаване, използвайки хардуерни невронни мрежи.
Технически, възможността да се говори за VLSI (Много мащабна интеграция) в рамките на такава фина цилиндрична геометрия е промяна на парадигмата. В продължение на десетилетия това се смяташе за непрактично Достигането на тази плътност на интеграция извън твърдите основи е било трудно, но въпреки това комбинацията от усъвършенствана литография, еластични полимери и спирален дизайн го е направила жизнеспособно поне в лабораторен мащаб.
Други направления на изследване, като например полупроводникови влакна за сензори и предаване на сигнали, описани в публикации като ScienceDaily, вече сочат към усъвършенствани електронни текстилни изделия, но не достигат това ниво на... интегрирани локални изчисленияТук влакното престава да бъде обикновен „сензорен кабел“ и се превръща в мозък, разпределен в цялата тъкан.
Изключителна механична устойчивост и дългосрочна стабилност
Освен че е електронно мощен, оптичният чип се откроява с... абсолютно изключителна механична устойчивост за електронен компонент. В проведените тестове тези влакна издържаха преминаването на 15,6-тонен камион без повреда, запазвайки функционалността си след тази брутална смачкваща сила.
Не става въпрос само за смачкване: влакната са били подложени на десетки хиляди цикли на огъване, усукване и разтягане надвишаващи 30% от дължината им, без осезаема загуба на експлоатационни характеристики. Те също така са били многократно търкани повече от 100 000 пъти, което е много важно, като се има предвид постоянното триене и движение, на което е подложена дрехата през целия си живот.
Друг поразителен факт е способността на влакната да издържат на пране с висока температураТестовете показват, че издържа на детергенти и температури до 100 градуса по Целзий, без вътрешните схеми да се влошат, до голяма степен благодарение на полимерното капсулиране, което действа като бариера срещу влага и химични агенти.
Издръжливостта е свързана и с еластичната съвместимост на използваните материали. Основният полимер и спираловидното разпределение на слоевете гарантират, че механичните деформации са разпределени хомогенно, предотвратявайки точки на концентрация на напрежение, които биха могли да счупят релсите. Това способност за адаптиране към сложни обрати и разтягания Това е от решаващо значение за приложения в текстил и биологични тъкани, където движенията не са нито плавни, нито предвидими.
Взети заедно, всички тези данни за механична якост, комбинирани с електрическа стабилност, предполагат, че тези влакна биха могли да предложат... живот, близък или дори по-дълъг от този на много конвенционални тъканиТова отваря вратата към наистина практични дрехи и меки устройства за ежедневна употреба.
От твърда плоча до интелигентна нишка: промяна на парадигмата в носимата електроника
Досега, когато говорихме за умни дрехи и носими устройстваВ повечето случаи открихме обикновени тъкани, към които беше добавен твърд модул: малка печатна платка със сензори и микроконтролер, обемиста батерия и може би някакво текстилно окабеляване за пренасяне на сигнала от едно място на друго. С други думи, електрониката беше „прикрепена“ към дрехата, но не беше част от вътрешната ѝ структура.
С оптичните чипове подходът прави обрат: изчисленията се интегрират в самата нишкаВсяка нишка може да действа като сензор, процесор и изходен елемент, създавайки тъкан, където цялата повърхност е разпределена система от интелигентни възли, които си сътрудничат помежду си.
Представете си например спортна тениска, чиито шевове съдържат влакна, способни да измерват биометрични параметри (пулс, температура, дишане), да обработват тези данни локално и да решават каква информация е подходяща за изпращане към външно устройство. Това намалява необходимостта от... централен микроконтролер и минимизира латентността, тъй като много решения се вземат в самото влакно.
Друг много привлекателен сценарий е този на дрехите с възможност за показване на информация за тъкантаВместо прикрепен екран, ръкавът или гърдите на ризата биха могли да действат като повърхност за показване, контролирана от интегрирани влакна, които обработват и управляват светоизлъчващите елементи (LED, микродисплеи или съвместими бъдещи технологии).
Този подход се вписва идеално в тенденцията към повсеместни изчисленияВместо няколко мощни и видими устройства, тенденцията е към много по-дискретни устройства, интегрирани в предмети от ежедневието, от мебели до дрехи. Влакната с интегрални схеми са едни от липсващите елементи, необходими за пренасяне на електрониката от корпуса в самия структурен материал.
Медицински приложения и интерфейси мозък-компютър
Отвъд модата и носимата електроника за потребителите, една от областите, където този вид влакна има най-голям потенциал, е в... медицина и интерфейси мозък-компютър (BCI)Токовите електроди и имплантируемите устройства обикновено са твърди или полутвърди, което създава значително механично несъответствие с меките тъкани на тялото, особено с мозъчната тъкан.
Когато твърд компонент се постави в мека среда, той генерира микродвижения и напрежения което може да причини възпаление, увреждане на тъканите или дългосрочно отхвърляне. Влакната, базирани на еластични полимери, от друга страна, имат мекота, подобна на тази на мозъчната тъкан, което им позволява да се интегрират много по-малко агресивно и да се адаптират по-добре към естествените движения на органа.
Голямото предимство тук е, че влакното не само действа като електрод или пасивен сензор, но е способно и откриване, обработка и връщане на сигнали в затворен контурС други думи, той може да записва невронната активност, да я филтрира и обработва локално и да генерира електрически стимули или обратна връзка в реално време, без да е необходимо да изпраща цялата сурова информация към външно устройство.
Този подход със затворен цикъл е изключително полезен в невромодулаторни терапии и усъвършенствани протезикъдето скоростта и точността на комуникацията между мозъка и устройството са от решаващо значение. Чрез извършване на някои от изчисленията в рамките на оптичното влакно, съотношението сигнал/шум се подобрява и обемът на данните, които трябва да се прехвърлят, се намалява, опростявайки дизайна на цялата система.
Освен това, гъвкавостта и здравината на влакнестия чип позволяват дългосрочни, хронични импланти с по-малък риск от счупване и по-голяма механична биосъвместимост. Не е случайно, че тази работа предизвика интерес в специализираната общност. BCI, невроинженерство и биомедицинска електроникакъдето са прекарали години в търсене на „мека електроника“, която говори на същия механичен език като тялото.
Виртуална реалност, усъвършенствана хаптика и дистанционна хирургия
В областта на виртуална реалност (VR) и добавена реалност (AR)Влакната с интегрални схеми откриват възможности, които далеч надхвърлят обикновените ръкавици със сензори за позиция. Ръкавица, изтъкана с този тип прежда, може да включва много плътни сензори, локална обработка и разпределени хаптични задвижващи механизми.
Това означава, че всеки пръст, всяка става и всяка област на ръката може да има измерване на налягане, напрежение и температураСигналът се обработва в реално време в самото влакно и се трансформира в прецизни хаптични сигнали (вибрация, натиск, малки тактилни импулси). Латентността е сведена до минимум, тъй като не се разчита на голям централен процесор за всяко малко изчисление.
Като се направи още една крачка напред, тези хаптични ръкавици и дрехи, базирани на интелигентни влакна, биха могли да се използват в Дистанционна хирургия и медицинско телеприсъствиеХирург би могъл дистанционно да управлява роботизирани инструменти и, благодарение на тактилната обратна връзка, генерирана от влакната, да усеща текстурата и съпротивлението на тъканите и органите, сякаш са под ръцете му.
В промишлени условия, гащеризони или ръкавици, снабдени с този тип влакнест чип, биха могли непрекъснато да наблюдава стойката, физическото натоварване и взаимодействието с машината, откриване на опасни модели и предупреждаване на работника или контролните системи преди да се случи злополука.
Много врати се отварят и в света на свободното време: VR костюми с по-реалистични усещания за контакт, спортно облекло, способно да пресъздава удари, дърпания или симулирани сблъсъци в игри, или високо прецизни интерфейси за жестове които интерпретират позицията на всеки пръст и мускулното усилие за контролиране на сложни цифрови системи.
Неизброими технически предизвикателства: енергия, топлоенергия и взаимосвързаност
Въпреки впечатляващите резултати, тази технология все още е в лабораторна фаза и носи редица недостатъци. значителни технически предизвикателства което ще трябва да бъде решено, преди да го видим в масовите търговски продукти.
Първият е Енергиен мениджмънт и разсейване на топлинатаКонцентрирането на обработка и памет в толкова малък обем означава, че генерираната топлина може да се натрупа бързо. В конвенционалните чипове се използват радиатори, термопасти и специфични конструкции на корпуси, за да се отведе топлината навън; в ултратънкото влакно обаче почти няма налична повърхност или топлинна маса, която да разпредели тази енергия.
Необходими са нови стратегии, като например материали с висока топлопроводимост, интегрирани в самата структура на влакната, дизайни, които разпределят зоните с най-голяма активност по протежение на преждата или оперативни протоколи, които ограничават пиковите потребленияАко не се контролират правилно, горещите точки могат да повредят както електрониката, така и всички тъкани или материали, с които влизат в контакт.
Друго голямо предизвикателство е взаимосвързаност с други електронни системиВъпреки че всяко влакно може да функционира като автономна система, в много приложения ще е необходимо резултатите от него да се съобщават на безжични мрежи, като например 5G и интернет на нещатаПо-мощни процесори или системи за съхранение. Интегрирането на антени, комуникационни модули или надеждни конектори в 50-микрометров проводник не е точно тривиално.
Освен това, по отношение на текстилната промишленост, трябва да се докаже, че производственият процес на тези влакна може мащабиране до големи обеми без загуба на качество. Екипът на Фудан твърди, че техният подход е съвместим със съществуващите техники за производство на текстил, но преминаването от контролирана лабораторна среда към машини за масово производство е скок, който винаги носи изненади.
И накрая, необходимостта от обширни тестове за надеждност в реални условия не може да бъде пренебрегната: непрекъснати цикли на пране, излагане на пот, промени в околната температура, прекомерно сгъване при обличане и събличане на дрехи… Досега демонстрираната устойчивост е многообещаващаНо мащабни полеви изпитвания ще определят дали тези влакна наистина могат да оцелеят години наред при ежедневна употреба.
Контекст, последици и бъдеще на многонишковите изчисления
Работата, ръководена от Пен Хуейшенг и неговият екип Изследването в университета Фудан се вписва в по-широка тенденция, която има за цел да интегрира електрониката в почти всеки обект около нас. От сензори, вплетени в килими и завеси, до строителни материали с възможности за наблюдение, идеята е да се размие границата между „електронно устройство“ и „ежедневен предмет“.
Успоредно с това, други групи са експериментирали с полупроводникови влакна за сензори и комуникация, с... тъкани, които имитират поведението на невронните мрежии с меки структури, способни да се учат от околната среда и да се адаптират. Новостта на интегралните схеми с висока плътност на влакната е, че те внасят реална изчислителна мощност в тази визия, доближавайки се до това, което би било мрежа от микропроцесори, разпределени в мащаб на нишка.
С развитието на тези технологии е разумно да си представим дрехи, които освен измерват жизнените показатели, изучаване на модели на поведение на потребителитеда се адаптират към своите рутини и да вземат решения локално: да регулират вентилацията на якето според дейността, да откриват подозрителни падания, автономно да управляват поверителността на събраните данни и др.
Съществуват и значителни етични последици и последици за поверителността. Когато дрехи, легла или дивани станат устройства, които изчисляват и съхраняват данниЩе бъде необходимо много внимателно да се определи кой контролира тази информация, как тя се анонимизира, как се споделя и какви са гаранциите на потребителя, че тя няма да бъде използвана неправилно. Същото важи и за меките имплантируеми устройства: огромният им медицински потенциал е съпроводен с въпроси относно сигурността, отдалечения достъп и злоупотребата с неврологични данни.
От чисто техническа гледна точка, следващите стъпки вероятно ще се фокусират върху подобряване на производителността на транзисторите във влакнестите оптични влакна, интегрирайки модули за енергонезависима памет и безжична комуникация в самата нишка и да разработят разпределени изчислителни архитектури, оптимизирани за такава уникална поддръжка. Комбинирането на тези FIC с вградени леки алгоритми за изкуствен интелект може да доведе до самоадаптивни облекла и устройства със степен на автономност, немислима само преди няколко години.
Въпреки че все още има дълъг път, преди тези влакнести чипове, по-тънки от косъм, да достигнат до рафтовете на магазините, настоящите резултати ясно показват, че класическото разделение между електронна схема и структурен материал се размива и че Предметите ни от ежедневието са на път да се превърнат в мрежи от малки мозъци, изтъкани, навити и скрити във всяка нишка.
