美国陆军少校赫夫纳在挪威训练时穿着带有纤维计算机的底层衣物。图片来源：美国陆军寒冷地区研究与工程实验室
要是你穿的衣服能关注你的健康状况会怎样？麻省理工学院的研究人员开发出一种弹性纤维形式的自主可编程计算机，它可以监测健康状况和身体活动，实时向穿戴者发出潜在健康风险的警报。
这项研究成果发表在《自然》杂志上。
研究人员报告称，含有这种纤维计算机的衣物穿着舒适且可机洗，而且穿戴者几乎感觉不到这些纤维的存在。
与被称为“可穿戴设备”的身体监测系统不同，可穿戴设备通常佩戴在胸部、手腕或手指等单点位置，而织物和衣物的优势在于能大面积接触身体，靠近重要器官。因此，它们为测量和了解人体生理机能及健康状况提供了独特的机会。
这种纤维计算机包含一系列微型设备，有传感器、微控制器、数字存储器、蓝牙模块、光通信组件以及电池，这些组件在一根弹性纤维中构成了计算机所需的所有必要部件。
研究人员在一件上衣和一条紧身裤中添加了四根纤维计算机，这些纤维沿着四肢分布。在实验中，每根可独立编程的纤维计算机运行一个机器学习模型，该模型经过训练，能够自主识别穿戴者进行的锻炼动作，平均准确率约为70%。
令人惊讶的是，一旦研究人员让各个纤维计算机相互通信，它们的整体准确率就提高到了近95%。
“我们的身体每秒通过皮肤以热、声音、生化物质、电势和光的形式传输数GB的数据，这些都携带着有关我们活动、情绪和健康的信息。不幸的是，其中大部分（即便不是全部）数据都会被我们穿的衣服吸收然后散失。”麻省理工学院材料科学与工程教授约埃尔·芬克说道。他是电子研究实验室（RLE）和士兵纳米技术研究所（ISN）的首席研究员，也是这篇论文的资深作者。
“如果我们能教会衣服捕捉、分析、存储这些重要信息，并以对健康和活动有价值的见解的形式进行通信，那不是很棒吗？”
纤维计算机用于了解健康状况和预防受伤的功能，也即将在现实世界中接受重大测试。美国陆军和海军军人将在北极进行为期一个月的冬季研究任务，在平均华氏零下40度的环境中行进1000公里。
几十件带有纤维计算机的美利奴网眼底层衬衫，将为参与这项名为“麝牛二号”任务的人员提供健康和活动的实时信息。
“在不远的将来，纤维计算机将让我们能在普通日常衣物上运行应用程序，并获得有价值的医疗保健和安全服务。我们很高兴通过与美国陆军、海军和美国国防高级研究计划局（DARPA）的合作，在即将到来的北极任务中瞥见这个未来。能够帮助我们的军人在最恶劣的环境中保障安全，是一种荣誉和特权，”芬克说。
论文的共同第一作者包括材料科学与工程专业的研究生尼基尔·古普塔、工学硕士亨利·张和目前在斯坦福大学就读的研究生西亚曼塔克·派拉；物理学弗朗西斯·赖特教授、士兵纳米技术研究所所长约翰·乔安诺普洛斯；以及麻省理工学院、罗德岛设计学院和布朗大学的其他研究人员。
打结的计算机纤维。图片来源：约埃尔·芬克
聚焦纤维
这种纤维计算机是基于电子研究实验室（RLE）中“麻省理工纤维”（Fibers@MIT）实验室十多年的研究成果开发的，主要得到了士兵纳米技术研究所（ISN）的支持。在之前的研究中，研究人员展示了将半导体器件、光二极管、存储单元、弹性电触点和传感器融入纤维的方法，这些纤维可制成织物和服装。
“但由于制作方式的限制，我们在将复杂设备融入纤维方面遇到了瓶颈。我们不得不重新思考整个过程。同时，我们希望它具有弹性和柔韧性，以便与传统织物的特性相匹配，”古普塔说。
研究人员克服的挑战之一是圆柱形纤维与平面芯片之间的几何形状不匹配问题。事实证明，将电线连接到每个平面微型设备外部被称为“焊盘”的小导电区域很困难，而且容易出现故障，因为复杂的微型设备有很多焊盘，要找到可靠连接每根电线的空间变得越来越困难。
在这种新设计中，研究人员使用一种称为中介层的柔性电路板，将每个微型设备的二维焊盘布局映射到三维布局上，然后将中介层卷成圆柱体。他们将这种设计称为“寿司卷”（maki）设计。然后，他们将四根独立的电线连接到“寿司卷”的侧面，并将所有组件连接在一起。
“这项进展对我们至关重要，因为它使我们能够将功能更强大的计算元件，比如微控制器和蓝牙传感器，融入到纤维中，”古普塔说。
这种多功能的折叠技术可用于多种微电子设备，使它们能够增加更多功能。
此外，研究人员使用一种热塑性弹性体制成了新型纤维计算机，这种材料的柔韧性是他们之前使用的热塑性塑料的几倍。这种材料使他们能够制成可机洗的弹性纤维，这种纤维可拉伸60%以上而不断裂。
他们使用“麻省理工纤维”团队在21世纪初开创的热拉伸工艺来制造纤维计算机。这个过程包括制作一个纤维计算机的宏观版本，称为预制件，其中包含每个连接好的微型设备。
将这个预制件悬挂在熔炉中，加热熔化后拉伸形成纤维，这种纤维还嵌入了锂离子电池，以便为自身供电。
“之前团队的成员朱丽叶·马里昂找到了制作弹性导体的方法，所以即使拉伸纤维，导体也不会断裂。我们在拉伸纤维的同时还能保持其功能，这对编织等工艺很关键，对衣物来说也是如此，”古普塔说。
将计算机纤维与金属和纺织纱线编织在一起。图片来源：汉密尔顿·奥索伊，IFM
集体“决策”
纤维计算机制作完成后，研究人员使用编织技术，用聚酯、美利奴羊毛、尼龙甚至丝绸等传统纱线包裹纤维。
除了使用传感器收集人体数据外，每根纤维计算机还集成了LED灯和光传感器，使一件衣服中的多根纤维能够相互通信，形成一个可以进行计算的纺织网络。
每根纤维计算机还配备了蓝牙通信系统，用于将数据无线发送到智能手机等设备上，方便用户读取。
研究人员利用这些通信系统，通过将四根纤维计算机缝制到一件衣服中（每个袖子里一根），创建了一个纺织网络。每根纤维运行一个独立的神经网络，该网络经过训练，能够识别深蹲、平板支撑、手臂画圈和弓步等锻炼动作。
“我们发现，当纤维计算机位于单个肢体（手臂或腿部）上时，识别人类活动的准确率仅约为70%。然而，当我们让位于四肢的纤维‘集体决策’时，它们的整体准确率接近95%，这表明分布在身体多个部位并在无需电线和互连的自主纤维计算机之间形成网络的重要性。”芬克说。
展望未来，研究人员希望使用中介层技术融入更多微型设备。
北极洞察
2月，一个配备计算织物的跨国团队将在北极行进30天，行程1000公里。这些织物将保障团队安全，并为未来的生理“数字孪生”模型奠定基础。
“作为一名拥有十多年北极行动经验的领导者，我主要担心的是如何保护我的团队免受严寒天气造成的身体损伤，这是极端寒冷环境下对行动人员的主要威胁。传统系统无法让我全面了解情况。我们将全天24小时穿着这种底层计算织物，以帮助我们更好地了解身体对极端寒冷的反应，并最终预测和预防受伤。”“麝牛二号”任务指挥官、美国陆军少校赫夫纳说。
美国陆军高级研究科学家、运动生理学专家卡尔·弗里德尔指出，麻省理工学院的可编程计算织物技术可能会成为“改变日常生活的技术”。
“想象一下，在不久的将来，织物和衣物中的纤维计算机能够感知环境和个人生理状态并做出反应，提高舒适度和表现，提供实时健康监测，并抵御外部威胁。”弗里德尔说。
“士兵将是这项新技术的早期采用者和受益者，它将与使用预测生理模型的人工智能系统以及与任务相关的工具相结合，以提高在恶劣环境中的生存能力。”
“传统纤维和织物与计算及机器学习的融合才刚刚开始。我们不仅通过研究和实地测试探索这个令人兴奋的未来，重要的是，我们还在麻省理工学院材料科学与工程系开设了一门名为‘织物计算’的课程，由罗德岛设计学院的阿奈斯·米萨克ian教授授课，”芬克补充道。
