Computador de fibra permite que la ropa ejecute aplicaciones y “entienda” a quien lo lleva

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Investigadores del MIT han desarrollado un computador programable autónomo en forma de fibra elástica, que podría controlar las condiciones de salud y la actividad física, alertando al usuario de posibles riesgos para la salud en tiempo real.

La ropa que contiene el computador de fibra es cómoda y se puede lavar a máquina, y las fibras son casi imperceptibles para el usuario, informan los investigadores.

A diferencia de los sistemas de monitoreo corporal conocidos como “wearables“, que se ubican en un solo punto como el pecho, la muñeca o el dedo, las telas y la ropa tienen la ventaja de estar en contacto con grandes áreas del cuerpo cerca de órganos vitales.

Como tal, presentan una oportunidad única para medir y comprender la fisiología y la salud humanas.

El computador de fibra contiene una serie de microdispositivos, incluidos sensores, un microcontrolador, memoria digital, módulos Bluetooth, comunicaciones ópticas y una batería, que componen todos los componentes necesarios de un computador en una sola fibra elástica.

Los investigadores añadieron cuatro computadores de fibra a una camiseta y un par de mallas, con fibras a lo largo de cada extremidad.

En sus experimentos, cada computador de fibra programable de forma independiente hizo funcionar un modelo de aprendizaje automático que fue entrenado para reconocer de forma autónoma los ejercicios realizados por el usuario, lo que dio como resultado una precisión media de alrededor del 70%.

Sorprendentemente, una vez que los investigadores permitieron que los computadores de fibra individuales se comunicaran entre sí, su precisión colectiva aumentó a casi el 95%.

“Nuestros cuerpos transmiten gigabytes de datos a través de la piel cada segundo en forma de calor, sonido, sustancias bioquímicas, potenciales eléctricos y luz, todos los cuales llevan información sobre nuestras actividades, emociones y salud.

Desafortunadamente, la mayor parte, si no toda, se absorbe y luego se pierde en la ropa que vestimos“, dice Yoel Fink, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) y el Instituto de Nanotecnologías para Soldados (ISN) y autor principal del artículo.

“¿No sería fantástico si pudiéramos enseñar a la ropa a capturar, analizar, almacenar y comunicar esta importante información en forma de valiosos conocimientos sobre la salud y la actividad?”

El uso de la computadora de fibra para comprender las condiciones de salud y ayudar a prevenir lesiones pronto también se someterá a una importante prueba en el mundo real.

Los miembros del servicio del Ejército y la Marina de los EE. UU. llevarán a cabo una misión de investigación invernal de un mes de duración en el Ártico, recorriendo 1000 kilómetros a temperaturas medias de -40 grados centígrados.

Decenas de camisetas de malla de merino con computadoras de fibra proporcionarán información en tiempo real sobre la salud y la actividad de las personas que participan en esta misión, llamada Musk Ox II.

“En un futuro no muy lejano, las computadoras de fibra nos permitirán ejecutar aplicaciones y obtener valiosos servicios de salud y seguridad a partir de prendas sencillas de uso diario.

Estamos entusiasmados por ver atisbos de este futuro en la próxima misión al Ártico a través de nuestros socios del Ejército, la Marina y la DARPA de los EE. UU. Ayudar a mantener seguros a nuestros miembros del servicio en los entornos más hostiles es un honor y un privilegio“, dice Fink.

La computadora de fibra se basa en más de una década de trabajo en el laboratorio Fibers@MIT en el RLE y fue apoyada principalmente por ISN.

En trabajos anteriores, los investigadores demostraron métodos para incorporar dispositivos semiconductores, diodos ópticos, unidades de memoria, contactos eléctricos elásticos y sensores en fibras que podrían transformarse en telas y prendas.

“Pero nos topamos con un muro en términos de la complejidad de los dispositivos que podíamos incorporar a la fibra debido a la forma en que la estábamos fabricando.

Tuvimos que repensar todo el proceso. Al mismo tiempo, queríamos hacerla elástica y flexible para que coincidiera con las propiedades de las telas tradicionales“, dice Gupta.

Uno de los desafíos que los investigadores superaron fue el desajuste geométrico entre una fibra cilíndrica y un chip plano.

Conectar cables a pequeñas áreas conductoras, conocidas como almohadillas, en el exterior de cada microdispositivo plano resultó ser difícil y propenso a fallar porque los microdispositivos complejos tienen muchas almohadillas, lo que hace que sea cada vez más difícil encontrar espacio para conectar cada cable de manera confiable.

En este nuevo diseño, los investigadores mapean la alineación de las almohadillas 2D de cada microdispositivo a un diseño 3D utilizando una placa de circuito flexible llamada intercalador, que envolvieron en un cilindro.

A esto lo llaman el diseño “maki”. Luego, conectan cuatro cables separados a los lados del rollo “maki” y conectan todos los componentes entre sí.

“Este avance fue crucial para nosotros en términos de poder incorporar elementos informáticos de mayor funcionalidad, como el microcontrolador y el sensor Bluetooth, en la fibra“, dice Gupta.

Esta técnica de plegado versátil podría usarse con una variedad de dispositivos microelectrónicos, lo que les permitiría incorporar funcionalidad adicional.

Además, los investigadores fabricaron la nueva computadora de fibra utilizando un tipo de elastómero termoplástico que es varias veces más flexible que los termoplásticos que usaban anteriormente.

Este material les permitió formar una fibra elástica lavable a máquina que puede estirarse más del 60 por ciento sin fallar.

Fabrican la computadora de fibra utilizando un proceso de estiramiento térmico que el grupo Fibers@MIT inició a principios de la década de 2000.

El proceso implica la creación de una versión macroscópica de la computadora de fibra, llamada preforma, que contiene cada microdispositivo conectado.

Esta preforma se cuelga en un horno, se funde y se tira hacia abajo para formar una fibra, que también contiene baterías de iones de litio integradas para que pueda alimentarse a sí misma.

“Una ex miembro del grupo, Juliette Marion, descubrió cómo crear conductores elásticos, de modo que incluso cuando se estira la fibra, los conductores no se rompen.

Podemos mantener la funcionalidad mientras la estiramos, lo que es crucial para procesos como el tejido, pero también para la ropa en general“, dice Gupta.

Una vez que se fabrica la computadora de fibra, los investigadores utilizan una técnica de trenzado para cubrir la fibra con hilos tradicionales, como poliéster, lana merino, nailon e incluso seda.

Además de recopilar datos sobre el cuerpo humano mediante sensores, cada computadora de fibra incorpora LED y sensores de luz que permiten que varias fibras de una prenda se comuniquen, creando una red textil que puede realizar cálculos.

Cada computadora de fibra también incluye un sistema de comunicación Bluetooth para enviar datos de forma inalámbrica a un dispositivo como un teléfono inteligente, que puede ser leído por un usuario.

Los investigadores aprovecharon estos sistemas de comunicación para crear una red textil cosiendo cuatro computadoras de fibra en una prenda, una en cada manga.

Cada fibra ejecutaba una red neuronal independiente que fue entrenada para identificar ejercicios como sentadillas, planchas, círculos con los brazos y estocadas.

“Lo que descubrimos es que la capacidad de una computadora de fibra para identificar la actividad humana era solo un 70 por ciento precisa cuando se encontraba en una sola extremidad, los brazos o las piernas.

Sin embargo, cuando permitimos que las fibras ubicadas en las cuatro extremidades “votaran”, alcanzaron colectivamente casi el 95 por ciento de precisión, lo que demuestra la importancia de residir en múltiples áreas del cuerpo y formar una red entre computadoras de fibra autónomas que no necesitan cables ni interconexiones“, dice Fink.

En el futuro, los investigadores quieren utilizar la técnica del intercalador para incorporar microdispositivos adicionales.

En febrero, un equipo multinacional equipado con tejidos informáticos viajará durante 30 días y 1.000 kilómetros por el Ártico.

Los tejidos ayudarán a mantener la seguridad del equipo y prepararán el terreno para futuros modelos fisiológicos de “gemelos digitales“.

“Como líder con más de una década de experiencia operativa en el Ártico, una de mis principales preocupaciones es cómo mantener a mi equipo a salvo de las lesiones debilitantes causadas por el frío, una de las principales amenazas para los operadores en condiciones de frío extremo.

Los sistemas convencionales simplemente no me proporcionan una imagen completa.

Llevaremos los tejidos informáticos de capa base las 24 horas del día, los 7 días de la semana, para ayudarnos a comprender mejor la respuesta del cuerpo al frío extremo y, en última instancia, predecir y prevenir lesiones“, dice el Mayor Hefner del Ejército de los EE. UU., comandante de Musk Ox II.

Karl Friedl, científico investigador sénior de fisiología del rendimiento del Ejército de los EE. UU., señaló que la tecnología de tejido informático programable del MIT puede convertirse en un “cambio radical para la vida cotidiana”.

“Imaginemos que en el futuro cercano habrá computadores de fibra en tejidos y prendas que detecten y respondan al entorno y al estado fisiológico del individuo, aumentando la comodidad y el rendimiento, proporcionando un control de la salud en tiempo real y brindando protección contra amenazas externas“, afirma Friedl.

“Los soldados serán los primeros en adoptar y beneficiarse de esta nueva tecnología, integrada con sistemas de IA que utilizan modelos fisiológicos predictivos y herramientas relevantes para la misión para mejorar la capacidad de supervivencia en entornos austeros.

“La convergencia de las fibras y los tejidos clásicos con la computación y el aprendizaje automático apenas ha comenzado.

Estamos explorando este emocionante futuro no solo a través de la investigación y las pruebas de campo, sino también, lo que es más importante, en un curso del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, ‘Computing Fabrics’, impartido por la profesora Anais Missakian de la Escuela de Diseño de Rhode Island“, añade Fink.

Fuente: Nature