5 Minuten
Mokslininkai pristatė lanksčią, plaunamą „siūlų kompiuterį“, kuris įterpia jutimą, skaičiavimą, ryšį ir saugyklą į vieną elastingą tekstilės siūlą. Paskelbta birželio 6 d. žurnale Nano-Micro Letters, tyrime aprašomas siūlas, integruojantis aštuonis elektroninius modulius — įskaitant kelis jutiklius, mikrovaldiklį, ryšio sąsajas ir maitinimo valdymą — ir tempiantis iki 60 %, išlikdamas atsparus skalbimui skalbimo mašinoje. Ilgalaikis tikslas yra įpinti daug tokių siūlų į drabužius, kad jie atliktų paskirstytąjį jutimą ir audinyje atliekamus skaičiavimus sveikatos stebėsenai, žmogaus ir mašinos sąveikai bei prisitaikančioms tekstilėms. (Vaizdo kreditas: Parlaungan Hasibuan/Getty Images)
Mokslinis kontekstas: išmanioji tekstilė ir su ja susijusios ribos
Išmanioji tekstilė (dar vadinama e-tekstile arba išmaniaisiais audiniais) sujungia audinius su elektroninėmis dalimis, suteikdama drabužiams ir minkštoms medžiagoms naujų galimybių, tokių kaip jutimas, aktyvacija ir duomenų perdavimas. Ankstyvieji projektai, pvz., LilyPad platforma (2007), padarė siuvamus elektroninius komponentus prieinamus interaktyviems drabužiams, žaislams ir prototipams. Vis dėlto bendra problema buvo ta, kad patys siūlai dažniausiai būdavo pasyvūs: intelektas ir energija dažniausiai koncentravosi rigidžiuose moduliuose, pritvirtintuose prie audinio, kas ribojo skalbimo galimybes, komfortą ir jutimo erdvinį raiškumą.
Kaip sukurtas siūlų kompiuteris
Integruoti įrenginiai ir medžiagos
Naujasis siūlas konsoliduoja aštuonis įrenginius į vieną elastingą giją. Tai apima keturis jutiklius — fotodetektorių, temperatūros jutiklį, akselerometrą ir fotopletizmogramą (PPG), matuojančią odos šviesos sugertį cardiovascularinių signalų išvedimui — taip pat mikrovaldiklį vietinei apdorojimui, du komunikacijos modulius tarp siūlų duomenų mainams ir maitinimo valdymo grandinę. Viso to dėka aparatinė įranga leidžia duomenų rinkimą, vietinę inferenciją, laikino saugojimo galimybes ir bevielį rezultatų perdavimą.
Siūlas išlaiko mechaninį praktiškumą: jis tempiantis pailgėja apie 60 % ir gali būti skalbiamas skalbimo mašinoje, kas yra esminė kasdieniams drabužiams. Tokia patvarumas pateikia dizainą kaip patrauklų kandidatą drabužiams, skirtoms pakartotiniam naudojimui, o ne vienkartiniams prototipams.
Veikimo testavimas ir paskirstyta inferencija
Norėdami įvertinti realaus pasaulio veikimą, tyrėjai įpynė keturis tokius išmaniuosius siūlus į drabužį — du rankovėje ir du kelnių kojose — ir paprašė žmogaus atlikti kūno svorio pratimus, tokius kaip pritūpimai, išsiskibimai ir lenta (plank). Kiekvienas siūlas paleido savo išmokytą neuroninio tinklo modelį veiksmų atpažinimui. Vienas siūlas pasiekė 67 % tikslumą atpažindamas atskirus judesius; kai visi keturi siūlai dirbo kartu, klasifikacijos tikslumas padidėjo iki 95 %.
„Šis našumo šuolis iliustruoja daugiagijų bendradarbiavimo jutimo ir paskirstyto sprendimų priėmimo stiprumą,“ rašė tyrimo autoriai, pabrėždami, kad vietiniai skaičiavimai kiekviename jutimo mazge kartu su tinklu grindžiamu sprendimų priėmimu suteikia didesnį tikslumą ir patikimumą nešiojamiems sistemoms.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Park, dėvimųjų sistemų inžinierė (fiktyvi), komentuoja: „Šis darbas yra svarbus žingsnis link tikro įterpto nešiojamojo intelekto. Užtikrinti, kad siūlai būtų skalbiami ir elastingi, pašalina du pagrindinius kliuvinius realiam priėmimui. Kiti iššūkiai bus energijos efektyvumas ir mažas delsos laikas, kad paskirstyti modeliai galėtų veikti nuolat be stambių baterijų.“
Pasekmės, ribotumai ir ateities kryptys
Tyrimas nurodo kelias perspektyvias taikymo sritis: nuolatinė sveikatos stebėsena (pagrindiniai gyvybės rodikliai ir aktyvumas), fizinės reabilitacijos drabužiai, kurie teikia realaus laiko grįžtamąją informaciją, interaktyvūs tekstilės sprendimai sporto rezultatams bei austos sąsajos ar ekranai, kur skaičiavimai paskirstyti per audinį. Jutiklių įterpimas keliose vietose leidžia tiksliau nustatyti biosignalų erdvinę ir laikinę raišką, palyginti su įprastais lipdukiniais ar riešo nešiojamais įrenginiais.
Tuo pačiu autoriai pripažįsta technines kliūtis. Dauginti siūlų kompiuterių tinklą reikalautų efektyvesnių tarp-sijų komunikacijos protokolų su didesniu pralaidumu ir mažesne delsa, sumažintos energijos sąnaudos ilgalaikiam veikimui ir išplėstos pralaidumo galimybės turtingesniems jutiklių duomenims. Energija išlieka apribojimu: integruoti energijos surinkimo elementus arba itin mažos energetinės sąnaudos neuroninius procesorius greičiausiai bus būtina nuolatiniam ir nepriklausomam naudojimui.
Susijusios technologijos ir kontekstas
Siūlų kompiuterija susikerta su kitomis kylančiomis sritimis, tokiomis kaip ant kūno vykdomas mašininis mokymasis, šviesa maitinami neuroniniai apdorojimo vienetai (energijos sąnaudų mažinimui) ir lanksčios elektroninės rašalai, leidžiančios perkonfigūruojamas grandines. Pažanga kvantinėse medžiagose ir mažos galios puslaidininkiuose gali dar labiau pagerinti įterptų tekstilės procesorių našumą energijos sąnaudų atžvilgiu artimiausiais metais.
Išvada
Demonstracija skalbimui atsparaus, elastingo siūlo, kuriame yra jutikliai, mikrovaldiklis ir komunikacijos moduliai, žymi reikšmingą pažangą išmaniųjų tekstilės sprendimų srityje. Suderinus vietinę neuroninę inferenciją su tinklu pagrįstu bendradarbiavimu tarp kelių siūlų, tyrėjai pasiekė ženklių veiklos pagerėjimų veiksmų atpažinimo tikslume. Norint sukurti praktiškus, plataus masto siūlų kompiuteriu pagrįstus drabužius, reikės pažangos energijos efektyvumo, komunikacijos protokolų ir gamybos srityse, tačiau ši metodika aiškiai nubrėžia kelią link drabužių, galinčių jutis, skaičiuoti ir reaguoti kaip integruota sistema.
Quelle: livescience
Kommentare