Новый оптоволоконный компьютер состоит из восьми устройств, которые работают вместе как единое вычислительное устройство. Ученые хотят объединить их в сеть, чтобы они могли работать как единая «умная» одежда.
(Изображение предоставлено: Parlaungan Hasibuan/Getty Images)
Ученые внедрили ключевые вычислительные компоненты в одно гибкое волокно, которое можно прокрутить в стиральной машине. Исследователи надеются, что однажды удастся объединить множество таких волокон в единую «волоконно-вычислительную» сеть — другими словами, в одежду с интеллектуальными возможностями.
Умный текстиль, также известный как «умные» ткани или электронный текстиль, — это материалы, содержащие электронные компоненты, которые расширяют возможности носимых устройств и других продуктов. Их можно использовать для создания материалов со встроенными вычислительными компонентами, которые можно применять в одежде или в тканых дисплеях, а также в других целях.
Одним из первых современных применений этой технологии стало создание LilyPad в 2007 году — серии электронных компонентов, которые можно вшивать в интерактивную одежду, игрушки или скульптуры.
Одним из наиболее существенных недостатков «умного» текстиля является то, что вычислительные возможности отдельных волокон сильно ограничены и в них не встроены какие-либо отдельные компоненты.
Поскольку в этих волокнах отсутствуют компоненты, выполнение базовых задач, таких как интерпретация биосигналов в режиме реального времени, затруднено, как и сбор сигналов для последующей обработки данных.
Но в новом исследовании, опубликованном 6 июня в журнале Nano-Micro Letters, учёные объединили функции сбора данных, передачи информации, вычислений и хранения данных в одной оптоволоконной нити.
Каждое эластичное волокно растягивается на 60 % и может быть постирано в стиральной машине, то есть из него можно шить практичную одежду.
Новое волокно также позволяет «умной» одежде и устройствам работать с большей точностью благодаря считыванию данных из нескольких точек и взаимодействию между компьютером и человеком в режиме реального времени, говорится в исследовании учёных.
Будущее одежды
Каждое волокно, разработанное в ходе исследования, включало в себя восемь устройств, в том числе четыре датчика: фотодетектор, датчик температуры, акселерометр и датчик фотоплетизмограммы (ФПГ), который измеряет изменения в поглощении света кожей, а также микроконтроллер, два модуля связи и устройства управления питанием, как сообщили учёные в своём исследовании. Все эти компоненты обеспечивали сбор, обработку, хранение и передачу данных.
Чтобы проверить эффективность новой системы, учёный вшил четыре «умных» волокна в рукава и штанины одежды и попросил человека, который носил эту одежду, выполнить ряд упражнений с собственным весом, включая приседания, выпады и планку.
Каждое волокно представляет собой индивидуально обученную нейронную сеть — набор алгоритмов машинного обучения, разработанных для имитации процесса обработки информации человеческим мозгом. Это позволило волокнам распознавать различные действия в режиме реального времени, в том числе приседания, планку, вращение рук и другие.
Одно волокно обеспечило точность распознавания конкретных движений на уровне 67 %, в то время как все четыре волокна, работающие вместе, повысили точность до 95 %.
«Это значительное улучшение подчёркивает огромный потенциал мультиволоконных систем совместного восприятия и распределённого анализа. Это революционный подход к созданию интеллектуальных носимых систем, которые органично сочетают локальные вычисления с сетевым принятием решений для обеспечения надёжной и высокоточной работы», — говорится в исследовании учёных.
По словам учёных, эти результаты демонстрируют потенциальную эффективность совместной работы оптоволоконных сетей, но они признают, что оптимизация скорости передачи данных, снижение энергопотребления и увеличение пропускной способности по-прежнему представляют собой сложную задачу.
Они отметили, что для масштабирования сети таких оптоволоконных компьютеров учёным также необходимо повысить эффективность обмена информацией между отдельными узлами.
Они добавили, что будущие исследования могут быть направлены на создание протоколов связи с более высокой пропускной способностью и меньшей задержкой, специально разработанных для таких оптоволоконных компьютеров.