摘要：今年2月，一支由多个国家科学家组成的探险队踏上北极之旅，完成“麝牛II（Musk Ox II）”科考任务。他们在极寒环境中行进30天，穿越1000公里。在此次任务中，他们携带了一项“秘密装备”，是一种嵌入感知与计算功能的智能织物。“在极端寒冷环境中，防止队员因
今年2月，一支由多个国家科学家组成的探险队踏上北极之旅，完成“麝牛II（Musk Ox II）”科考任务。他们在极寒环境中行进30天，穿越1000公里。在此次任务中，他们携带了一项“秘密装备”，是一种嵌入感知与计算功能的智能织物。“在极端寒冷环境中，防止队员因低温受伤是首要任务”，探险队指挥、美国陆军少校Mathew Hefner说道，“这次，我们将全天候穿着智能织物，它能实时记录我们的身体反应，并帮助预测和预防低温伤害”[1]。这种智能织物的核心技术就来自麻省理工学院（MIT）Yoel Fink课题组。
穿着智能织物的北极科考队员。图片来源：MIT [1]
近日，Nature 杂志发表了Yoel Fink课题组的相关论文，重点是一种可编程的单根纤维计算机（single-fibre computer），质量不到5克却集成了一系列微型设备，包括传感器、微控制器、数字存储器、蓝牙模块、光学通信设备和电池，将完整的计算机功能封装在一根弹性纤维中。这种纤维计算机能够感知温度、实时监测健康状况和身体活动，并与人工智能结合，在检测到潜在健康风险时向穿戴者发出警报，整体识别准确率接近95%。嵌入式纤维计算机衣物既舒适又可机洗，穿戴者几乎不会感觉到监测系统的存在。
将金属和纺织纱线编织成纤维计算机。图片来源：MIT [1]
早在2018年，Yoel Fink教授课题组就曾在Nature 杂志上发表论文 [2]，将发光二极管和光电探测器成功集成到织物中，用于心率监测。四年后，他们再次在Nature杂志上发表了新研究 [3]，首次将单根纤维传感器与衬衫织物相结合，作为声波的发射器和接收器，不仅能准确测量声波的来源和方向，还实现了两件织物之间的双向通信。
织物光电探测和织物麦克风的设计。图片来源：Nature [2,3]
在最近报道的纤维计算机中，微芯片电路板采用可折叠的三维设计，折叠后，外层结构包裹住内部的微芯片，并精准对齐芯片上的焊盘。封装后的芯片通过螺旋铜导线互连，既能确保高导电性，又具备出色的弹性。随后，研究者采用热拉伸工艺，将预先连接好的器件和导线封装在热塑性环烯烃共聚物弹性体（ECOC）与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中，从而赋予其良好的结构弹性。拉伸过程中，PMMA层被剥离，仅保留ECOC纤维。实验表明，该嵌入式器件的纤维在67.1%的应变下才会失效。为了进一步增强机械强度和表面性能，研究者利用纱线对纤维计算机进行包覆，使其更易集成到织物中。即使经过十次机洗，纤维计算机仍能保持正常功能，展现出优异的耐用性。
纤维计算机的制造过程与力学表征。图片来源：Nature
每根纤维计算机由8个器件组成，其中包括4个传感器：光电探测器（LS）、温度传感器（Temp）、光电容积脉搏波（PPG）传感器和加速度计（Acc），能够通过光学、热学和机械传导方式采集环境及佩戴者的相关信息。纤维计算机还配备了1个32位的微控制单元（MCU），采用ARM Cortex-M4处理器，集成了256 KB闪存。如果需要扩展存储容量，还可以通过增加下游存储芯片来连接更多器件。
纤维计算机。图片来源：Nature
为了实现数据通信，纤维计算机还包含1个发光二极管（LED）和1个低功耗蓝牙（BLE）模块，分别用于光学和射频通信。整个系统由一块15 mAh的针型锂离子电池供电，并集成了低压差（LDO）稳压器，以提供稳定的直流电压，确保纤维计算机能够连续运行超过6小时。
纤维计算机的电学特性表征。图片来源：Nature
基于多根纤维计算机的光学和蓝牙通信组件，可以创建一个通信网络，实现分布式信息传输。其中每根光纤中的LED与光传感器可与相邻纤维交互，通过曼彻斯特编码提高抗干扰能力，完成双向通信。蓝牙模块则配备了2.4 GHz射频收发器，支持1 Mbps的标准数据传输速率，单个节点支持三个并发连接。将纤维计算机通过针织、机织或缝制的方式，集成在织物中，就可以实现7.5 cm范围内的低噪声数据传输。
多根纤维计算机的通信与集成。图片来源：Nature
将单根纤维计算机分布在衣物的四肢区域，可用于采集佩戴者的运动数据并进行神经网络计算。经过训练后，神经网络的权重被分配至对应四肢部位的纤维计算机。当佩戴者运动时，每根纤维内的加速度计采集数据并传输至MCU进行处理和推理。单独的肢体模型准确率均低于77%，而整个织物网络的推理准确率提升至95%。这一结果表明，集成单根纤维计算机形成分布式网络，相较于单个传感器节点，可进行更全面的监测并显著提升性能。
纤维计算机织物的神经网络应用。图片来源：Nature
织物内的光学通信。图片来源：Nature
谈到这项工作，论文第一作者Nikhil Gupta介绍道：“我们团队的前成员Juliette Marion开发了一种弹性导体，使纤维在拉伸时仍能保持导电性，这确保了纤维在编织和日常穿着过程中不会影响其功能。我们的这项工作，完成了更复杂的计算单元，并集成到织物中，进一步扩展了纤维计算机的功能”。[1]
“我们的身体每时每刻都会释放出海量数据，包括热量、声波、生化信号、电位和光信号等，这些数据蕴含着关于活动、情绪和健康的重要信息。然而，在大多数情况下，这些信息都被衣物吸收并流失了”，Yoel Fink教授表示，“如果我们能让衣物学会捕捉、分析、存储并传输这些关键信息，将极大地提升健康监测和生活质量。不久的将来，纤维计算机将使日常服装具备运行应用程序的能力，并提供宝贵的医疗和安全服务。”[1]
A single-fibre computer enables textile networks and distributed inference
Nikhil Gupta, Henry Cheung, Syamantak Payra, Gabriel Loke, Jenny Li, Yongyi Zhao, Latika Balachander, Ella Son, Vivian Li, Samuel Kravitz, Sehar Lohawala, John Joannopoulos & Yoel Fink
Nature, 2025, 639, 79-86, DOI: 10.1038/s41586-024-08568-6
参考资料：
[1] Fiber computer allows apparel to run apps and “understand” the wearer
[2] M. Rein, et al. Diode fibres for fabric-based optical communications. Nature 2018, 560, 214–218. DOI: 10.1038/s41586-018-0390-x
[3] W. Yan, et al. Single fibre enables acoustic fabrics via nanometre-scale vibrations. Nature 2022, 603, 616–623. DOI: 10.1038/s41586-022-04476-9
（本文由小希供稿）
来源：X一MOL资讯
