5 Minutės
Mokslininkai demonstravo lanksčią, skalbiamą „gijos kompiuterį“, kuriame viename elastingame tekstilės siūle integruoti jutimo, skaičiavimo, ryšio ir saugojimo moduliai. Publikuotame birželio 6 d. žurnale Nano-Micro Letters aprašoma gija, kuri sujungia aštuonis elektroninius modulius — įskaitant kelis jutiklius, mikrovaldiklį, ryšio sąsajas ir maitinimo valdymą — ir gali išsitempti iki 60 %, išlaikydama atsparumą skalbimo mašinai. Ilgalaikis tikslas yra įausti daug tokių gijų į drabužius, kad jie atliktų paskirstytą jutimą ir apdorojimą ant audinio sveikatos stebėjimui, žmogaus–mašinos sąveikai ir adaptyviems tekstilės sprendimams. (Vaizdo kreditas: Parlaungan Hasibuan/Getty Images)
Mokslinis kontekstas: išmanieji tekstilės sprendimai ir jų ribotumai
Išmanieji tekstilės sprendimai (dar vadinami e‑textiles arba išmaniaisiais audiniais) sujungia tekstilę su elektroninėmis dalimis, suteikdami drabužiams ir minkštoms medžiagoms naujų galimybių, tokių kaip jutimas, aktyvavimas ir duomenų perdavimas. Ankstyvosios iniciatyvos, pavyzdžiui, LilyPad platforma (2007), padarė siuvimu prijungiamą elektroniką prieinamą interaktyviems drabužiams, žaislams ir prototipams. Vis dėlto dažna problema buvo ta, kad pačios gijos dažnai būdavo pasyvios: intelektas ir maitinimas dažniausiai sutelkiami rigidiniuose moduliuose, pritvirtintuose prie audinio, kas riboja skalbimą, komfortą ir jutimo erdvinį raiškumą.
Kaip sukurtas gijos kompiuteris
Integruoti įrenginiai ir medžiagos
Naujoji gija sujungia aštuonis įrenginius į vieną elastingą siūlą. Tarp jų yra keturi jutikliai — fotodetektorius, temperatūros jutiklis, akselerometras ir fotopletizmograma (PPG) jutiklis, kuris matuoja odos šviesos absorbciją, leidžiančią numatyti širdies ir kraujagyslių signalus — taip pat mikrovaldiklis vietiniam apdorojimui, du ryšio moduliai tarp gijų duomenų mainams ir maitinimo valdymo grandinė. Kartu šie komponentai leidžia rinkti duomenis, atlikti vietinę inferenciją, laikinai saugoti rezultatą ir belaidžiu būdu jį perduoti.
Gija išlaiko mechaninį praktiškumą: ji gali išsitempti maždaug 60 % ir atlaikyti skalbimą skalbyklėje, kas yra būtina kasdieniams drabužiams. Toks patvarumas padaro dizainą tinkamu kandidatu drabužiams, skirtoms nuolatiniam naudojimui, o ne vienkartiniams prototipams.
Veikimo testavimas ir paskirstyta inferencija
Norėdami įvertinti realaus pasaulio našumą, tyrėjai įaudė keturias tokias išmaniąsias gijas į vieną drabužį — po dvi rankovėje ir po dvi kelnių kojose — ir paprašė asmens atlikti kūno svorio pratimus, tokius kaip pritūpimai, išlungiai ir lenta. Kiekviena gija vykdė savo iš anksto apmokytą neuroninio tinklo modelį veiksmų atpažinimui. Vienos gijos tikslumas atpažįstant atskirus judesius siekė 67 %; kai visos keturios gijos bendradarbiavo, klasifikacijos tikslumas pakilo iki 95 %.
„Šis našumo šuolis parodo daugiagijų bendradarbiavimo jutimo ir paskirstyto sprendimų priėmimo pranašumus,“ rašė tyrimo autoriai, pabrėždami, kad vietinis skaičiavimas kiekviename jutimo mazge kartu su tinklu pagrįstu sprendimu suteikia didesnį tikslumą ir robustumą nešiojamiems sistemoms.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Park, nešiojamosios elektronikos inžinerijos specialistė (fiktyvinė), komentuoja: „Šis darbas yra svarbus žingsnis link tikrai integruotos nešiojamosios intelektualumo. Gijų skalbiamumas ir elastingumas pašalina dvejas dideles kliūtis realiam pritaikymui. Tolimesni iššūkiai bus susiję su energijos efektyvumu ir mažo delsos ryšiais, kad paskirstyti modeliai galėtų veikti nuolat be stambių baterijų.“
Pasekmės, apribojimai ir ateities kryptys
Tyrimas nubrėžia keletą perspektyvių pritaikymų: nuolatinė sveikatos priežiūra (vitalinių rodiklių ir veiklos stebėjimas), reabilitacijos drabužiai, teikiantys realaus laiko grįžtamąją informaciją, interaktyvūs audiniai sporto rezultatų tobulinimui ir įaudžiami ekranai arba sąsajos, kur skaičiavimas paskirstytas per audinį. Keletą jutiklių išdėstymas įvairiose vietose leidžia tiksliau fiksuoti erdvinę ir laikinę bio-signalų raišką, palyginti su tradicinėmis pleistro ar riešo prietaisų strategijomis.
Viena vertus, autoriai pripažįsta technines kliūtis. Norint išplėsti gijų kompiuterių tinklą, reikės efektyvesnių tarp-gijų ryšio protokolų su didesne pralaidumu ir mažesne delsa, sumažintos energijos sąnaudos ilgesniam veikimui ir platesnio pralaidumo, skirtų gausesniems jutiklių duomenims. Maitinimas išlieka ribojantis faktorius: energijos rinkimo elementų integravimas arba itin mažos galios neuroniniai procesoriai greičiausiai bus būtini nuolatiniam, nepriklausomam naudojimui.
Susijusios technologijos ir kontekstas
Gijos kompiuterija persipina su kitomis naujomis sritimis, tokiomis kaip ant kūno vykdomas mašininis mokymasis, šviesa maitinami neuroniniai apdorojimo blokai (mažesnėms energijos sąnaudoms) ir lankstūs elektroniniai rašalai, leidžiantys rekonfigūruojamas grandines. Pažanga kvantinėse medžiagose ir mažos galios puslaidininkuose gali dar pagerinti audiniuose įmontuotų procesorių našumą pagal suvartojamą energiją per ateinančius metus.
Išvados
Skalbiamos ir elastingos gijos demonstracija, kurioje yra jutikliai, mikrovaldiklis ir ryšio moduliai, žymi reikšmingą pažangą išmaniųjų tekstilės sprendimų srityje. Derinant lokalų neuroninio tinklo inferenciją su tinklu paremta bendradarbiavimo strategija tarp kelių gijų, tyrėjams pavyko ryškiai pagerinti veiklos atpažinimo tikslumą. Kad būtų sukurti praktiški, plačiai gaminami gijų-kompiuterių drabužiai, reikės pažangos energijos efektyvumo, komunikacijos protokolų ir gamybos srityse, tačiau šis požiūris aiškiai atveria kelią drabužiams, galintiems jutinti, skaičiuoti ir reaguoti kaip integruota sistema.
Šaltinis: livescience
Komentarai