La perinteinen kovapiielektroniikkaVanha, piirilevyille asennettu ja muovilaitteisiin kapseloitu teknologia on syrjäytetty uudella, vahvasti tulevalla kilpailijalla: ultraohuisiin kuituihin, kirjaimellisesti ihmisen hiusta ohuempiin, integroiduilla siruilla. Tätä ajatusta, joka muutama vuosi sitten kuulosti tieteiskirjallisuudelta, tukevat nyt kokeelliset tulokset, jotka on julkaistu huipputason lehdissä, kuten Naturessa.
Ryhmä tutkijoita Fudanin yliopisto Shanghaissa He ovat onnistuneet rakentamaan kokonaisia integroituja piirejä joustavan langan sisään, joka kykenee taipumaan, venymään ja kestämään raakoja voimia menettämättä toiminnallisuuttaan. Puhumme kuiduista, jotka integroivat kymmeniä tuhansia transistoreita millimetrien pituisina, ja joiden prosessointikapasiteetti verrattavissa kaupallisiin siruihin käytetään kotitietokoneissa tai biolääketieteellisissä implanteissa. Ja parasta on, että tämä muoto mahdollistaa kirjaimellisesti kutomalla tietotekniikkaa vaatteisiinbiologisia kudoksia ja arkipäivän esineitä.
Mikä on siru, joka on tehty kuidusta, joka on ohuempi kuin ihmisen hius?
Kun puhutaan a kuitupohjainen siru, ohuempi kuin hiusSe ei ole vain yksinkertainen johto, jonka ulkopuolelle on kiinnitetty elektroniikkaa, vaan aito integroitu piiri, joka on kierretty itsensä ympärille ja kapseloitu polymeerilankaan. Tyypillinen halkaisija on noin 50 mikrometriä, suunnilleen ihmisen hiuksen paksuinen, mutta tuossa pienessä tilassa piilee täydellinen, toimiva mikroelektroninen järjestelmä.
Nämä puhelut kuituintegroidut piirit tai FIC (kuituintegroidut piirit) Ne yhdistävät transistoreita, vastuksia, kondensaattoreita, diodeja, liitäntälinjoja, muistia ja signaalinkäsittelylohkoja sylinterimäisessä geometriassa. Tämän ansiosta kuitu ei rajoitu lähettämiseen tai aistimiseen, vaan se voi myös... käsitellä tietoja paikallisesti, suorittaa loogisia operaatioita, suodattaa signaaleja ja jopa suorittaa peruskuvantunnistustehtäviä yksinkertaisten neuroverkkojen avulla.
Tärkein ero aiempiin elektronisten kuitujen sukupolviin verrattuna on integrointitiheysFudanin tiimi on saavuttanut jopa 100 000 transistoria kuitusenttimetriä kohden, mikä täyttää yleiskäyttöisille siruille ominaiset erittäin suuren mittakaavan integrointikriteerit (VLSI). Käytännössä tämä tarkoittaa, että yksi metri tätä kuitua voisi sisältää transistoreja verrattavissa tyypillisen pöytätietokoneen suorittimen määrään.
Toiminnallisesta näkökulmasta jokainen säikeen segmentti käyttäytyy kuin itsenäinen mikrotietokonejärjestelmäSiinä on aktiivisia ja passiivisia komponentteja, muistia, tiedonkäsittelyominaisuuksia ja ulkoisia kommunikaatio-ominaisuuksia. Se ei ole vain laajennettu anturi, vaan älykäs solmu, jota voidaan moninkertaistaa senttimetri senttimetriltä vaatteen tai implantin pitkin.
Useat erikoistuneet mediat ja akateemiset julkaisut ovat korostaneet, että tämä edistysaskel edustaa laadullista harppausta verrattuna nykyisiin puettaviin ratkaisuihin, jotka ovat riippuvaisia jäykät moduulit ommeltuina tai liimattuina kankaille ja ulkoisille prosessoreille kaikkien asiaankuuluvien toimintojen suorittamiseksi.
Arkkitehtuuri: "sushi"-temppu sirun asettamiseen säikeeseen
Suurin este rakentamiselle siru niin ohuessa kuidussa Kyse ei ole vain materiaaleista, vaan myös geometriasta: klassinen mikroelektroniikka valmistetaan tasaisille piikiekoille fotolitografialla, erittäin tarkalla prosessilla, joka on suunniteltu sileille pinnoille. Monimutkaisten piirien syövyttäminen suoraan hiuksen paksuiseen sylinteriin on tavanomaisilla tekniikoilla käytännössä mahdotonta.
Tämän rajoituksen kiertämiseksi Fudanin tiimi turvautui nerokkaaseen strategiaan, joka oli saanut inspiraationsa Maki- tai sushirullan kääriminenEnsin ne valmistavat kaikki komponentit (transistorit, kondensaattorit, vastukset, liitokset) tasaiselle elastiselle polymeerilevylle käyttäen fotolitografiaa ja plasmaetsaustyökaluja, jotka ovat hyvin samanlaisia kuin puolijohdeteollisuudessa.
Kun 2D-piiri on valmis, kyseinen levy päällystetään tiheä polymeerikalvo joka toimii suojapanssarina ja vähentää pinnan karheutta alle nanometrin. Tämä on avainasemassa, jotta litografia voi toimia mikrometrin tarkkuudella ja välttää vikoja, jotka voisivat rikkoa kiskot niitä kelattaessa.
Seuraava vaihe on rullata arkki itsensä ympärille a:n jälkeen monikerroksinen kierteinen arkkitehtuuriPiiri on pakattu kerros kerrokselta, kuin tiivis rulla, spiraalimaisesti kuidun sisään. Tämä geometrinen temppu mahdollistaa kuidun sisäisen tilavuuden äärimmäisen hyödyntämisen: aiemmin vain yksi johdin mahtui sisään, kun taas nyt se sisältää kolmiulotteisen piirin, jossa on tuhansia aktiivisia laitteita.
Lopuksi koko kokoonpano on hermeettisesti suljettu joustavaan polymeeripinnoitteeseen, mikä johtaa jatkuva, joustava ja täydellisesti eristetty filamenttiTässä prosessissa ei käytetä perinteisiä jäykkiä kiekkoja, mikä rikkoo vuosikymmeniä vallinneen ajatuksen, että "sirut voidaan valmistaa vain piistä ja litteinä".
Vaikuttava suorituskyky ja integraatiotiedot
Yksi tiede- ja teknologiayhteisön huomiota eniten herättäneistä näkökohdista on integrointikapasiteettia niin pienessä tilassaLaboratoriofotolitografian noin yhden mikrometrin tarkkuudella kiinalainen tiimi on onnistunut lisäämään noin 10 000 transistoria vain yhteen millimetriin kuitua ja tietyissä kokoonpanoissa jopa 100 000 transistoria senttimetriä kohden.
Jos tämä tiheys ekstrapoloidaan, metrin pituiseen säieeseen voisi kertyä transistoreiden määrä, joka lähestyy suuruusluokkaa a klassinen keskusyksikköVaikka merkittäviä eroja on edelleen huippuluokan kaupallisiin prosessoreihin verrattuna, ajatus siitä, että tekstiililanka voisi sisältää biolääketieteellisten tai ohjaussirujen tasoa vastaavaa laskentatehoa, on varmasti kiehtova.
Transistorien yksinkertaisen lukumäärän lisäksi on otettava huomioon myös integroitu toiminnallisuusTransistoreiden lisäksi kuitu sisältää passiivisia komponentteja, kuten vastuksia ja kondensaattoreita, diodeja, muistia sekä analogisia ja digitaalisia prosessointilohkoja. Esitellyt prototyypit ovat kyenneet hallitsemaan sekasignaaleja, suorittamaan loogisia operaatioita, ohjaamaan lähtökuvioita (esimerkiksi näyttämään yksinkertaisia kuvia kudotuilla paneeleilla) ja jopa toteuttamaan perustunnistustehtäviä laitteistopohjaisten neuroverkkojen avulla.
Teknisesti ottaen VLSI:stä (Very Large-Scale Integration) puhuminen niin hienon sylinterimäisen geometrian sisällä on paradigman muutos. Vuosikymmenten ajan sitä pidettiin epäkäytännöllisenä Tämän integraatiotiheyden tuominen jäykkien alustojen ulkopuolelle on ollut vaikeaa, mutta edistyneen litografian, elastisten polymeerien ja kierukkarakenteen yhdistelmä on tehnyt siitä kannattavan ainakin laboratoriomittakaavassa.
Muut tutkimuslinjat, kuten puolijohdekuidut tunnistukseen ja signaalinsiirtoon, joita on kuvattu esimerkiksi ScienceDaily-julkaisuissa, viittasivat jo edistyneisiin elektronisiin tekstiileihin, mutta eivät vielä saavuttaneet tätä tasoa. integroitu paikallinen laskentaTässä kuitu lakkaa olemasta yksinkertainen "anturikaapeli" ja siitä tulee kudokseen jakautunut aivo.
Äärimmäinen mekaaninen kestävyys ja pitkäaikainen vakaus
Elektronisen tehokkuutensa lisäksi kuitusiru erottuu edukseen mm. aivan poikkeuksellisen mekaaninen kestävyys elektroniikkakomponentille. Suoritetuissa testeissä nämä kuidut kestivät 15,6 tonnin kuorma-auton ajon vioittumatta ja säilyttivät toimivuutensa tuon raa'an murskausvoiman jälkeen.
Kyse ei ole vain murskaamisesta: kuidut ovat altistuneet kymmeniätuhansia taivutus-, kierto- ja venytysjaksoja yli 30 % niiden pituudesta ilman merkittävää suorituskyvyn heikkenemistä. Niitä on myös hangattu toistuvasti yli 100 000 kertaa, mikä on erittäin merkittävää ottaen huomioon jatkuvan kitkan ja liikkeen, jolle vaate altistuu käyttöikänsä aikana.
Toinen huomattava tosiasia on kuidun kyky kestää korkean lämpötilan pesujaTestit osoittavat, että se kestää pesuaineita ja jopa 100 celsiusasteen lämpötiloja ilman, että sisäiset piirit hajoavat, suurelta osin polymeerikapseloinnin ansiosta, joka toimii esteenä kosteutta ja kemikaaleja vastaan.
Kestävyys liittyy myös käytettyjen materiaalien elastiseen yhteensopivuuteen. Peruspolymeeri ja kerrosten kierteinen jakauma varmistavat, että mekaaniset muodonmuutokset jakautuvat tasaisesti estäen jännityspisteiden muodostumisen, jotka voisivat rikkoa kiskot. kyky sopeutua monimutkaisiin kiertoihin ja venytyksiin Se on kriittistä tekstiilien ja biologisten kankaiden sovelluksissa, joissa liikkeet eivät ole tasaisia eivätkä ennustettavia.
Yhteenvetona kaikki nämä mekaanisen lujuuden tiedot yhdistettynä sähköiseen stabiilisuuteen viittaavat siihen, että nämä kuidut voisivat tarjota käyttöikä lähellä tai jopa pidempi kuin monilla perinteisillä kankaillaTämä avaa oven todella käytännöllisille vaatteille ja pehmeille laitteille jokapäiväiseen käyttöön.
Jäykästä levystä älykkääseen langalle: paradigman muutos puettavissa laitteissa
Tähän asti, kun puhuimme älykkäät vaatteet ja puettavat laitteetUseimmissa tapauksissa löysimme tavallisia kankaita, joihin oli lisätty jäykkä moduuli: pieni piirilevy antureineen ja mikrokontrollereineen, tilaa vievä akku ja ehkä jonkin verran tekstiilijohtoja signaalin kuljettamiseksi paikasta toiseen. Toisin sanoen elektroniikka oli "kiinnitetty" vaatteeseen, mutta se ei ollut osa sen sisäistä rakennetta.
Kuituoptisten sirujen kanssa lähestymistapa kääntyy: laskenta integroituu itse säikeeseenJokainen säie voi toimia anturina, prosessorina ja lähtöelementtinä, luoden kankaan, jossa koko pinta on hajautettu järjestelmä älykkäitä solmuja, jotka tekevät yhteistyötä keskenään.
Kuvittele esimerkiksi urheilupaita, jonka saumat sisältävät kuituja, jotka pystyvät mittaamaan biometrisiä parametreja (syke, lämpötila, hengitys), käsittelemään näitä tietoja paikallisesti ja päättämään, mitkä tiedot on tärkeää lähettää ulkoiseen laitteeseen. Tämä vähentää tarvetta keskusmikrokontrolleri ja minimoi latenssin, koska monet päätökset tehdään itse kuidussa.
Toinen erittäin houkutteleva skenaario on vaatteet, joissa on kyky näyttää tietoja kankaastaKiinnitetyn näytön sijaan paidan hiha tai rintakehä voisi toimia näyttöpintana, jota ohjaisivat integroidut kuidut, jotka käsittelevät sekä valoa emittoivien elementtien (LEDit, mikronäytöt tai yhteensopivat tulevaisuuden teknologiat) käsittelyä että hallintaa.
Tämä lähestymistapa sopii täydellisesti trendiin, jossa kaikkialla läsnä oleva laskentaMuutaman tehokkaan ja näkyvän laitteen sijaan trendinä on paljon huomaamattomampia laitteita, jotka on integroitu arkipäivän esineisiin, huonekaluista vaatteisiin. Integroiduilla piireillä varustetut kuidut ovat yksi puuttuvista osista, joita tarvitaan elektroniikan tuomiseksi kotelosta itse rakennemateriaaliin.
Lääketieteelliset sovellukset ja aivojen ja tietokoneiden rajapinnat
Muodin ja kuluttajakäyttöön tarkoitettujen puettavien laitteiden lisäksi yksi alueista, joilla tämän tyyppisellä kuidulla on eniten potentiaalia, on lääketiede ja aivojen ja tietokoneiden rajapinnat (BCI)Virtaelektrodit ja implantoitavat laitteet ovat yleensä jäykkiä tai puolijäykkiä, mikä aiheuttaa merkittävän mekaanisen epäsuhdan kehon pehmytkudosten, erityisesti aivokudoksen, kanssa.
Kun kova komponentti tuodaan pehmeään ympäristöön, se tuottaa mikroliikkeet ja jännitykset mikä voi aiheuttaa tulehdusta, kudosvaurioita tai pitkäaikaista hylkimistä. Toisaalta elastisiin polymeereihin perustuvat kuidut ovat pehmeydeltään samankaltaisia kuin aivokudos, minkä ansiosta ne integroituvat paljon vähemmän aggressiivisesti ja mukautuvat paremmin elimen luonnollisiin liikkeisiin.
Suuri etu tässä on, että kuitu ei toimi ainoastaan elektrodina tai passiivisena anturina, vaan se pystyy myös havaitsee, käsittelee ja palauttaa signaaleja suljetussa silmukassaToisin sanoen se voi tallentaa hermosolujen toimintaa, suodattaa ja käsitellä sitä paikallisesti sekä tuottaa sähköisiä ärsykkeitä tai palautetta reaaliajassa ilman, että kaikkia raakatietoja tarvitsee lähettää ulkoiseen yksikköön.
Tämä suljetun kierron lähestymistapa on erittäin hyödyllinen neuromodulatoriset hoidot ja edistyneet proteesitjossa aivojen ja laitteen välisen viestinnän nopeus ja tarkkuus ovat ratkaisevan tärkeitä. Suorittamalla osan laskelmista kuidun sisällä parannetaan signaali-kohinasuhdetta ja vähennetään siirrettävän datan määrää, mikä yksinkertaistaa koko järjestelmän suunnittelua.
Lisäksi kuitusirun joustavuus ja lujuus mahdollistavat pitkäaikaiset, krooniset implantit, joilla on pienempi rikkoutumisriski ja parempi mekaaninen bioyhteensopivuus. Ei ole sattumaa, että tämä työ on herättänyt kiinnostusta alan yhteisössä. BCI, neurotekniikka ja biolääketieteellinen elektroniikkajossa he ovat vuosia etsineet "pehmeää elektroniikkaa", joka puhuu samaa mekaanista kieltä kuin keho.
Virtuaalitodellisuus, edistynyt haptiikka ja etäkirurgia
Alalla virtuaalitodellisuus (VR) ja lisätty todellisuus (AR)Integroiduilla piireillä varustetut kuidut avaavat mahdollisuuksia, jotka menevät paljon yksinkertaisten asentoantureilla varustettujen käsineiden ulkopuolelle. Tämän tyyppisestä langasta kudottu käsine voi sisältää erittäin tiheitä antureita, paikallista prosessointia ja hajautettuja haptisia toimilaitteita.
Se tarkoittaa, että jokainen sormi, jokainen nivel ja jokainen käden alue voi olla paineen, venymän ja lämpötilan mittausSignaali käsitellään reaaliajassa kuidun sisällä ja muunnetaan tarkoiksi haptisiksi signaaleiksi (värähtely, paine, pienet tuntoimpulssit). Latenssi minimoituu, koska se ei ole riippuvainen suuresta keskusprosessorista jokaista pientä laskutoimitusta varten.
Askel pidemmälle vietynä näitä älykkäisiin kuituihin perustuvia haptisia käsineitä ja vaatteita voitaisiin käyttää Etäkirurgia ja lääketieteellinen etäläsnäoloKirurgi voisi käyttää robotti-instrumentteja etänä ja kuitujen tuottaman haptisen palautteen ansiosta tuntea kudosten ja elinten rakenteen ja vastuksen lähes kuin ne olisivat hänen käsissään.
Teollisuusympäristöissä tällaisella kuituhilalla varustetut haalarit tai käsineet voivat seurata jatkuvasti ryhtiä, fyysistä kuormitusta ja koneiden vuorovaikutusta, vaarallisten toimintamallien havaitseminen ja työntekijän tai ohjausjärjestelmien hälyttäminen ennen onnettomuuden sattumista.
Myös vapaa-ajan maailmassa avautuu monia ovia: VR-puvut, joissa on realistisemmat kosketusaistimukset, urheiluvaatteet, jotka pystyvät toistamaan iskuja, nykäyksiä tai simuloituja iskuja peleissä, tai erittäin tarkat eleliittymät jotka tulkitsevat kunkin sormen asennon ja lihasponnistuksen monimutkaisten digitaalisten järjestelmien hallitsemiseksi.
Merkittävät tekniset haasteet: energia, lämpö ja yhteenliittäminen
Huipputuloksista huolimatta tämä teknologia on vielä laboratoriovaiheessa ja sillä on useita haittoja. merkittäviä teknisiä haasteita joka on ratkaistava ennen kuin näemme sen massamarkkinoiden kaupallisissa tuotteissa.
Ensimmäinen on Energian hallinta ja lämmönpoistoSuorittimen ja muistin keskittäminen niin pieneen tilavuuteen tarkoittaa, että syntyvä lämpö voi kerääntyä nopeasti. Perinteisissä siruissa käytetään jäähdytyselementtejä, lämpötahnoja ja erityisiä pakkausrakenteita lämmön johtamiseen ulospäin; erittäin ohuessa kuidussa ei kuitenkaan ole juurikaan käytettävissä olevaa pinta-alaa tai lämpömassaa energian jakamiseen.
Tarvitaan uusia strategioita, kuten kuiturakenteeseen integroituja, korkean lämmönjohtavuuden omaavia materiaaleja, rakenteita, jotka jakavat aktiivisimman alueen langan alueelle, tai käyttöprotokollat, jotka rajoittavat kulutuspiikkejäJos kuumia kohtia ei hallita asianmukaisesti, ne voivat vahingoittaa sekä elektroniikkaa että kaikkia kankaita tai materiaaleja, joiden kanssa ne joutuvat kosketuksiin.
Toinen suuri haaste on yhteenliitettävyys muiden sähköisten järjestelmien kanssaVaikka jokainen kuitu voi toimia itsenäisenä järjestelmänä, monissa sovelluksissa sen tulokset on tarpeen viestiä langattomiin verkkoihin, kuten 5G ja esineiden internetTehokkaammat prosessorit tai tallennusjärjestelmät. Antennien, tietoliikennemoduulien tai luotettavien liittimien integrointi 50 mikrometrin johtimeen ei ole aivan triviaalia.
Lisäksi tekstiiliteollisuuden osalta on osoitettava, että näiden kuitujen valmistusprosessi voi skaalaa suuriin määriin laadusta tinkimättä. Fudanin tiimi väittää, että heidän lähestymistapansa on yhteensopiva olemassa olevien tekstiilien valmistustekniikoiden kanssa, mutta siirtyminen kontrolloidusta laboratorioympäristöstä massatuotantokoneisiin on loikka, joka tuo aina yllätyksiä.
Lopuksi on syytä huomioida laajojen luotettavuustestien tarve todellisissa olosuhteissa: jatkuvat pesuohjelmat, altistuminen hielle, ympäristön lämpötilan vaihtelut, äärimmäinen taittuminen vaatteita puettaessa ja riisuttaessa… Tähän mennessä osoitettu kestävyys on erittäin lupaavaMutta laajamittaiset kenttäkokeet määrittävät, kestävätkö nämä kuidut todella vuosien jokapäiväisen käytön.
Monisäikeisen laskennan konteksti, vaikutukset ja tulevaisuus
Työn johtama Peng Huisheng ja hänen tiiminsä Fudanin yliopiston tutkimus sopii laajempaan trendiin, jonka tavoitteena on integroida elektroniikkaa lähes kaikkiin ympärillämme oleviin esineisiin. Mattoihin ja verhoihin kudotuista antureista valvontaominaisuuksilla varustettuihin rakennusmateriaaleihin, ajatuksena on hämärtää rajaa "elektronisen laitteen" ja "arkipäivän esineen" välillä.
Samanaikaisesti muut ryhmät ovat kokeilleet puolijohdekuituja sensorointiin ja tiedonsiirtoon, mm. kankaat, jotka matkivat neuroverkkojen toimintaaja pehmeillä rakenteilla, jotka kykenevät oppimaan ympäristöstä ja sopeutumaan. Suuritiheyksisten kuitu-integroitujen piirien uutuus on se, että ne tuovat tähän visioon todellista laskentatehoa, lähestyen sitä, mikä olisi säikeiden mittakaavassa hajautettujen mikroprosessorien verkko.
Näiden teknologioiden kehittyessä on järkevää kuvitella vaatteita, jotka elintoimintojen mittaamisen lisäksi oppia käyttäjien käyttäytymismallejasopeutua rutiineihinsa ja tehdä paikallisia päätöksiä: säätää takin ilmanvaihtoa toiminnan mukaan, havaita epäilyttävät putoamiset, hallita kerättyjen tietojen yksityisyyttä itsenäisesti jne.
Myös merkittäviä eettisiä ja yksityisyyteen liittyviä vaikutuksia on. Kun vaatteista, sängyistä tai sohvista tulee laitteet, jotka laskevat ja tallentavat tietojaOn tarpeen määritellä erittäin huolellisesti, kuka näitä tietoja hallinnoi, miten ne anonymisoidaan, miten niitä jaetaan ja mitkä ovat käyttäjän takeet siitä, ettei niitä käytetä väärin. Sama pätee pehmeisiin implantoitaviin laitteisiin: niiden valtavaan lääketieteelliseen potentiaaliin liittyy kysymyksiä turvallisuudesta, etäkäytöstä ja neurologisten tietojen väärinkäytöstä.
Puhtaasti teknisestä näkökulmasta seuraavat askeleet keskittyvät todennäköisesti kuituoptisten transistoreiden suorituskyvyn parantamiseen, integroimalla pysyvä muisti ja langattomat tiedonsiirtomoduulit itse säikeen sisällä ja kehittää hajautetun laskennan arkkitehtuureja, jotka on optimoitu tällaista ainutlaatuista tukea varten. Näiden FIC-järjestelmien yhdistäminen sulautettuihin kevyisiin tekoälyalgoritmeihin voi johtaa itseään mukautuviin vaatteisiin ja laitteisiin, joiden autonomia olisi ollut ennenkuulumatonta vain muutama vuosi sitten.
Vaikka näiden hiusta ohuempien kuitusirujen pääsy kauppojen hyllyille on vielä pitkä matka, nykyiset tulokset osoittavat selvästi, että elektronisen piirin ja rakennemateriaalin välinen klassinen raja on hämärtymässä ja että Arkipäivän esineemme ovat matkalla kohti pienten aivojen verkostoja, jotka ovat kudottu, kierretty ja piilotettu jokaiseen säikeeseen..
