Programmierbare digitale Faser: Sensieren, Speichern und Analysieren tragbarer Daten

Forscher haben eine Faser mit digitalen Fähigkeiten geschaffen, die in der Lage ist, nach dem Einnähen in ein Hemd zu sensieren, zu speichern, zu analysieren und Aktivitäten abzuleiten. Digitale Stoffe decken den Kontext versteckter Muster im menschlichen Körper auf, die für körperliche Leistungsüberwachung, medizinische Schlussfolgerungen und Früherkennung von Krankheiten genutzt werden könnten.

Bisher waren elektronische Fasern analog – sie trugen ein kontinuierliches elektrisches Signal – anstatt digital, wo diskrete Bits von Information in 0en und 1en kodiert und verarbeitet werden können. Der neue Stoff speichert und verarbeitet Daten digital, was eine neue Informationsinhaltsdimension zu Textilien hinzufügt und es ermöglicht, Stoffe zu programmieren.

Die neue Faser wurde erstellt, indem hunderte quadratische Silizium-Mikroskala-Digitalchips in eine Vorform platziert wurden, die dann zur Erstellung einer Polymerfaser verwendet wurde. Durch präzise Kontrolle des Polymerflusses konnten die Forscher eine Faser mit kontinuierlicher elektrischer Verbindung zwischen den Chips über eine Länge von zehn Metern erstellen. Die Faser selbst ist dünn und flexibel und kann durch eine Nadel gefädelt, in Stoffe eingenäht und mindestens 10-mal gewaschen werden, ohne sich zu zersetzen.

Eine digitale Faser bietet einen Weg, einzelne Elemente innerhalb einer Faser von einem Punkt am Faserende aus zu steuern. Die Forscher entwickelten eine digitale Adressierungsmethode, die es ihnen ermöglicht, die Funktionalität eines Elements „einzuschalten“, ohne alle Elemente einzuschalten.

Eine digitale Faser kann auch viele Informationen im Speicher ablegen. Die Forscher konnten Informationen auf der Faser schreiben, speichern und lesen, einschließlich einer 767-Kilobit-Vollfarb-Kurzfilmdatei und einer 0,48-Megabyte-Musikdatei. Die Dateien können zwei Monate lang ohne Strom gespeichert werden.

Die Faser macht auch einige Schritte in Richtung künstliche Intelligenz, indem sie im Faserspeicher ein neuronales Netzwerk mit 1.650 Verbindungen enthält. Nachdem sie sie um den Achselbereich eines Hemdes genäht hatten, nutzten die Forscher die Faser, um 270 Minuten Oberflächentemperaturdaten von einer Person, die das Hemd trug, zu sammeln und analysierten, wie diese Daten verschiedenen körperlichen Aktivitäten entsprachen. Auf diesen Daten trainiert, war die Faser in der Lage, mit 96-prozentiger Genauigkeit zu bestimmen, welche Aktivität die Person, die sie trug, ausübte.

Die Hinzufügung einer KI-Komponente zur Faser erhöht ihre Möglichkeiten weiter. Stoffe mit digitalen Komponenten können Informationen über den Körper über Zeit sammeln, und diese üppigen Daten sind perfekt für maschinelle Lernalgorithmen. Diese Art von Stoff könnte Quantität und Qualität an Open-Source-Daten für das Extrahieren neuer Körpermuster liefern.

Mit dieser analytischen Kraft könnten die Fasern eines Tages Veränderungen in der Gesundheit in Echtzeit sensieren und warnen, wie einen Atemwegsabfall oder einen unregelmäßigen Herzschlag, oder Muskelaktivierungs- oder Herzfrequenzdaten an Athleten während des Trainings liefern. Die Faser wird von einem kleinen externen Gerät gesteuert, sodass der nächste Schritt darin besteht, einen neuen Chip als Mikrocontroller zu entwerfen, der innerhalb der Faser selbst verbunden werden kann.