La elektronik silikon keras tradisionalTeknologi lama, yang dipasang pada papan litar dan dikapsulkan dalam peranti plastik, telah diatasi oleh pesaing baharu yang sedang membuat kemasukan yang kukuh: cip yang disepadukan ke dalam gentian ultra nipis, secara literalnya lebih nipis daripada sehelai rambut manusia. Idea ini, yang beberapa tahun lalu kedengaran seperti fiksyen sains, kini disokong oleh hasil eksperimen yang diterbitkan dalam jurnal terkemuka seperti Nature.
Sekumpulan penyelidik dari Universiti Fudan di Shanghai Mereka telah berjaya membina litar bersepadu lengkap dalam benang fleksibel, yang mampu membengkok, meregang dan menahan daya kejam tanpa kehilangan fungsi. Kita bercakap tentang gentian yang mengintegrasikan puluhan ribu transistor dalam milimeter panjang, dengan kapasiti pemprosesan yang setanding dengan cip komersial digunakan dalam pengkomputeran rumah atau implan bioperubatan. Dan bahagian yang terbaik ialah format ini membenarkan secara literalnya menenun pengkomputeran ke dalam pakaiantisu biologi dan objek harian.
Apakah cip yang diperbuat daripada gentian yang lebih nipis daripada rambut manusia?
Semasa bercakap mengenai a cip berasaskan gentian yang lebih nipis daripada sehelai rambutIa bukan sekadar wayar mudah dengan beberapa elektronik yang dipasang di luar, tetapi litar bersepadu tulen yang dililit pada dirinya sendiri dan dikapsulkan dalam filamen polimer. Diameter biasa adalah sekitar 50 mikrometer, kira-kira setebal rambut manusia, tetapi di dalam ruang kecil itu terletak sistem mikroelektronik yang lengkap dan berfungsi.
Panggilan-panggilan ini Litar bersepadu gentian atau FIC (Litar Bersepadu Gentian) Mereka menggabungkan transistor, perintang, kapasitor, diod, talian penghubung, memori dan blok pemprosesan isyarat dalam geometri silinder. Disebabkan ini, gentian tidak terhad kepada penghantaran atau pengesanan, tetapi juga boleh... memproses maklumat secara setempat, melaksanakan operasi logik, menapis isyarat dan juga melaksanakan tugas pengecaman imej asas menggunakan rangkaian saraf mudah.
Perbezaan utama berbanding generasi gentian elektronik sebelumnya ialah ketumpatan integrasiPasukan Fudan telah mencapai sehingga 100.000 transistor per sentimeter gentian, memenuhi kriteria integrasi ultra-besar (VLSI) yang mencirikan cip tujuan umum. Dalam praktiknya, ini bermakna satu meter gentian ini boleh mengandungi beberapa transistor yang setanding dengan CPU desktop biasa.
Dari sudut pandangan fungsi, setiap segmen thread bertindak seperti sistem mikrokomputer kendiriIa mempunyai komponen aktif dan pasif, memori, keupayaan pemprosesan data dan keupayaan komunikasi luaran. Ia bukan sekadar sensor lanjutan, tetapi nod pintar yang boleh didarabkan sentimeter demi sentimeter di sepanjang pakaian atau implan.
Beberapa saluran media khusus dan penerbitan akademik telah menekankan bahawa kemajuan ini mewakili lonjakan kualitatif berbanding penyelesaian boleh pakai semasa, yang bergantung pada modul tegar dijahit atau dilekatkan kepada fabrik dan pemproses luaran untuk melaksanakan sebarang operasi yang berkaitan.
Seni bina: helah "sushi" untuk meletakkan cip pada benang
Halangan utama untuk membina sebuah mencincang serat yang begitu nipis Ia bukan sahaja tentang bahan, tetapi juga geometri: mikroelektronik klasik dihasilkan pada wafer silikon rata menggunakan fotolitografi, satu proses yang sangat tepat yang direka untuk permukaan licin. Mengukir litar kompleks terus ke atas silinder setebal rambut manusia, dengan teknik standard, hampir mustahil.
Untuk mengatasi batasan ini, pasukan Fudan menggunakan strategi bijak yang diilhamkan oleh Cara menggulung maki atau gulungan sushiPertama, mereka mengeluarkan semua komponen (transistor, kapasitor, perintang, sambung sambungan) pada kepingan polimer elastik yang rata, menggunakan fotolitografi dan alat pengukiran plasma yang sangat serupa dengan industri semikonduktor.
Setelah litar 2D siap, helaian itu disalut dengan filem polimer padat yang bertindak sebagai perisai pelindung, mengurangkan kekasaran permukaan kepada di bawah satu nanometer. Ini adalah kunci untuk litografi beroperasi dengan ketepatan mikrometer dan untuk mengelakkan kecacatan yang boleh memecahkan trek apabila ia dililit.
Langkah seterusnya ialah menggulung helaian itu sendiri selepas seni bina heliks berbilang lapisanLapisan demi lapisan, seperti gulungan padat, litar ini dibungkus dalam bentuk lingkaran di dalam gentian. Trik geometrik ini membolehkan penggunaan isipadu dalaman gentian secara ekstrem: jika sebelum ini hanya satu konduktor sahaja yang boleh dimuatkan, kini litar tiga dimensi dengan beribu-ribu peranti aktif ditempatkan.
Akhirnya, keseluruhan pemasangan ditutup rapat dalam salutan polimer fleksibel, menghasilkan filamen berterusan, fleksibel dan bertebat sempurnaProses ini tidak menggunakan wafer tegar tradisional, yang memecahkan idea yang diandaikan selama beberapa dekad bahawa "cip hanya boleh diperbuat daripada silikon dan rata."
Data prestasi dan integrasi yang mengagumkan
Salah satu aspek yang paling menarik perhatian komuniti sains dan teknologi ialah kapasiti integrasi yang dicapai dalam ruang yang begitu kecilDengan ketepatan fotolitografi makmal sekitar satu mikrometer, pasukan China telah berjaya memasukkan kira-kira 10.000 transistor ke dalam hanya satu milimeter gentian, dan sehingga 100.000 transistor setiap sentimeter dalam konfigurasi tertentu.
Jika ketumpatan ini diekstrapolasi, untaian satu meter panjang boleh mengumpul beberapa transistor yang menghampiri peringkat magnitud a unit pemprosesan pusat klasikWalaupun masih terdapat perbezaan yang ketara berbanding pemproses komersial mewah, idea bahawa benang tekstil boleh menempatkan kuasa pengkomputeran yang setanding dengan cip bioperubatan atau kawalan sememangnya menarik.
Selain bilangan transistor yang mudah, seseorang juga mesti mempertimbangkan fungsi bersepaduSelain transistor, gentian optik ini menggabungkan komponen pasif seperti perintang dan kapasitor, diod, memori dan blok pemprosesan analog dan digital. Prototaip yang ditunjukkan telah berupaya mengurus isyarat campuran, melaksanakan operasi logik, mengawal corak output (contohnya, untuk memaparkan imej mudah pada panel tenunan), dan juga melaksanakan tugas pengecaman asas menggunakan rangkaian saraf perkakasan.
Secara teknikalnya, kebolehan untuk membincangkan tentang VLSI (Integrasi Skala Sangat Besar) dalam geometri silinder yang begitu halus merupakan satu anjakan paradigma. Selama beberapa dekad ia dianggap tidak praktikal Membawa ketumpatan integrasi ini ke luar substrat tegar adalah sukar, namun gabungan litografi canggih, polimer elastik dan reka bentuk heliks telah menjadikannya berdaya maju sekurang-kurangnya pada skala makmal.
Bidang penyelidikan lain, seperti gentian semikonduktor untuk pengesanan dan penghantaran isyarat yang diterangkan dalam penerbitan seperti ScienceDaily, telah menunjukkan ke arah tekstil elektronik canggih, tetapi tidak mencapai tahap ini. pengkomputeran tempatan bersepaduDi sini, serat tidak lagi menjadi "kabel sensor" yang mudah dan menjadi otak yang tersebar di seluruh tisu.
Rintangan mekanikal yang melampau dan kestabilan jangka panjang
Selain berkuasa secara elektronik, cip gentian ini menonjol kerana rintangan mekanikal yang sangat luar biasa untuk komponen elektronik. Dalam ujian yang dijalankan, gentian ini menahan laluan trak 15,6 tan tanpa kegagalan, mengekalkan fungsinya selepas daya penghancuran yang kejam itu.
Ia bukan sekadar tentang penghancuran: gentian telah tertakluk kepada puluhan ribu kitaran lenturan, putaran dan regangan melebihi 30% daripada panjangnya, tanpa sebarang kehilangan prestasi yang ketara. Ia juga telah digosok berulang kali lebih daripada 100.000 kali, yang sangat ketara memandangkan geseran dan pergerakan berterusan yang dialami oleh pakaian sepanjang hayatnya.
Satu lagi fakta menarik ialah keupayaan gentian untuk bertahan dalam cucian suhu tinggiUjian menunjukkan bahawa ia tahan terhadap detergen dan suhu sehingga 100 darjah Celsius tanpa litar dalaman merosot, sebahagian besarnya disebabkan oleh enkapsulasi polimer yang bertindak sebagai penghalang terhadap kelembapan dan agen kimia.
Ketahanan juga berkaitan dengan keserasian elastik bahan yang digunakan. Polimer asas dan taburan heliks lapisan memastikan ubah bentuk mekanikal diagihkan secara homogen, mencegah titik kepekatan tegasan yang boleh memecahkan trek. Ini keupayaan untuk menyesuaikan diri dengan kelainan dan regangan yang kompleks Ia penting untuk aplikasi dalam tekstil dan fabrik biologi, di mana pergerakannya tidak lancar mahupun boleh diramal.
Secara keseluruhannya, semua data kekuatan mekanikal ini, digabungkan dengan kestabilan elektrik, menunjukkan bahawa gentian ini boleh menawarkan jangka hayat yang hampir atau lebih lama daripada kebanyakan fabrik konvensionalIni membuka pintu kepada pakaian dan peranti lembut yang benar-benar praktikal untuk kegunaan harian.
Dari plat tegar ke benang pintar: anjakan paradigma dalam peranti boleh pakai
Sehingga kini, apabila kita berbincang tentang pakaian pintar dan peranti boleh pakaiDalam kebanyakan kes, kami menemui fabrik biasa yang telah ditambah modul tegar: PCB kecil dengan sensor dan mikropengawal, bateri besar, dan mungkin beberapa pendawaian tekstil untuk membawa isyarat dari satu tempat ke tempat lain. Dalam erti kata lain, elektronik "dilekatkan" pada pakaian, tetapi ia bukan sebahagian daripada struktur dalamannya.
Dengan cip gentian optik, pendekatannya berubah: pengkomputeran disepadukan ke dalam thread itu sendiriSetiap helai boleh bertindak sebagai sensor, pemproses dan elemen output, mewujudkan fabrik di mana seluruh permukaan merupakan sistem teragih nod pintar yang bekerjasama antara satu sama lain.
Bayangkan, sebagai contoh, sebuah baju sukan di mana jahitannya mengandungi gentian yang mampu mengukur parameter biometrik (nadi, suhu, pernafasan), memproses data tersebut secara setempat dan memutuskan maklumat yang berkaitan untuk dihantar ke peranti luaran. Ini mengurangkan keperluan untuk mikropengawal pusat dan meminimumkan kependaman, kerana banyak keputusan dibuat dalam gentian itu sendiri.
Satu lagi senario yang sangat menarik ialah pakaian dengan keupayaan untuk memaparkan maklumat tentang fabrikDaripada skrin yang dipasang, lengan atau dada baju boleh bertindak sebagai permukaan paparan, dikawal oleh gentian bersepadu yang mengendalikan pemprosesan dan pengurusan elemen pemancar cahaya (LED, mikropapar atau teknologi masa depan yang serasi).
Pendekatan ini amat sesuai dengan trend ke arah pengkomputeran di mana-manaDaripada beberapa peranti yang berkuasa dan boleh dilihat, trend kini adalah ke arah lebih banyak peranti yang lebih tersembunyi yang disepadukan ke dalam objek harian, daripada perabot hinggalah pakaian. Gentian dengan litar bersepadu merupakan salah satu bahagian yang hilang yang diperlukan untuk membawa elektronik dari selongsong ke dalam bahan struktur itu sendiri.
Aplikasi perubatan dan antara muka otak-komputer
Selain fesyen dan peranti boleh pakai pengguna, salah satu bidang di mana gentian jenis ini mempunyai potensi paling besar adalah dalam perubatan dan antara muka otak-komputer (BCI)Elektrod semasa dan peranti yang boleh diimplan biasanya tegar atau separa tegar, mewujudkan ketidakpadanan mekanikal yang ketara dengan tisu lembut badan, terutamanya tisu otak.
Apabila komponen keras dimasukkan ke dalam persekitaran lembut, ia menghasilkan pergerakan mikro dan ketegangan yang boleh menyebabkan keradangan, kerosakan tisu atau penolakan jangka panjang. Sebaliknya, gentian yang berasaskan polimer elastik mempunyai kelembutan yang serupa dengan tisu otak, membolehkannya berintegrasi dengan kurang agresif dan menyesuaikan diri dengan lebih baik dengan pergerakan semula jadi organ.
Kelebihan besar di sini ialah gentian bukan sahaja bertindak sebagai elektrod atau sensor pasif, tetapi juga mampu mengesan, memproses dan mengembalikan isyarat dalam gelung tertutupDalam erti kata lain, ia boleh merakam aktiviti neuron, menapis dan memprosesnya secara setempat, dan menjana rangsangan elektrik atau maklum balas dalam masa nyata, tanpa perlu menghantar semua maklumat mentah ke unit luaran.
Pendekatan gelung tertutup ini amat berguna dalam terapi neuromodulatori dan prostesis lanjutandi mana kelajuan dan ketepatan komunikasi antara otak dan peranti adalah penting. Dengan melakukan beberapa pengiraan dalam gentian optik, nisbah isyarat-kepada-hingar dipertingkatkan dan jumlah data yang perlu dipindahkan dikurangkan, sekali gus memudahkan reka bentuk keseluruhan sistem.
Tambahan pula, fleksibiliti dan kekuatan cip gentian membolehkan kemungkinan implan kronik jangka panjang dengan risiko kerosakan yang lebih rendah dan biokompatibiliti mekanikal yang lebih tinggi. Bukanlah satu kebetulan bahawa kerja ini telah mencetuskan minat dalam komuniti yang berdedikasi. BCI, kejuruteraan saraf dan elektronik bioperubatandi mana mereka telah menghabiskan bertahun-tahun mencari "elektronik lembut" yang bertutur dalam bahasa mekanikal yang sama seperti badannya.
Realiti maya, haptik canggih dan pembedahan jarak jauh
Dalam bidang realiti maya (VR) dan realiti imbuhan (AR)Gentian dengan litar bersepadu membuka kemungkinan yang jauh melangkaui sarung tangan mudah dengan sensor kedudukan. Sarung tangan yang ditenun dengan benang jenis ini boleh menggabungkan sensor yang sangat padat, pemprosesan setempat dan penggerak haptik teragih.
Ini bermakna setiap jari, setiap sendi, dan setiap kawasan tangan boleh mempunyai pengesanan tekanan, regangan dan suhuIsyarat diproses dalam masa nyata dalam gentian itu sendiri dan diubah menjadi isyarat haptik yang tepat (getaran, tekanan, impuls sentuhan kecil). Kependaman diminimumkan kerana ia tidak bergantung pada pemproses pusat yang besar untuk setiap pengiraan kecil.
Selangkah lebih maju, sarung tangan dan pakaian haptik yang berasaskan gentian pintar ini boleh digunakan dalam Pembedahan jarak jauh dan telepresence perubatanSeorang pakar bedah boleh mengendalikan instrumen robotik dari jauh dan, terima kasih kepada maklum balas haptik yang dihasilkan oleh gentian, merasakan tekstur dan rintangan tisu dan organ seolah-olah ia berada di bawah tangan mereka.
Dalam persekitaran perindustrian, pakaian dalam atau sarung tangan yang dilengkapi dengan cip gentian jenis ini boleh sentiasa memantau postur, beban kerja fizikal dan interaksi mesin, mengesan corak berbahaya dan memberi amaran kepada pekerja atau sistem kawalan sebelum kemalangan berlaku.
Banyak pintu juga terbuka dalam dunia riadah: sut VR dengan sensasi sentuhan yang lebih realistik, pakaian sukan yang mampu mencipta semula pukulan, tarikan atau impak simulasi dalam permainan, atau antara muka gerak isyarat yang sangat tepat yang mentafsir kedudukan setiap jari dan usaha otot untuk mengawal sistem digital yang kompleks.
Cabaran teknikal yang luar biasa: tenaga, haba dan sambungan
Walaupun terdapat keputusan yang menakjubkan, teknologi ini masih dalam fasa makmal dan mempunyai beberapa kekurangan. cabaran teknikal yang ketara yang perlu diselesaikan sebelum kita melihatnya dalam produk komersial pasaran besar-besaran.
Yang pertama adalah Pengurusan tenaga dan pelesapan habaMemfokuskan pemprosesan dan memori dalam isipadu yang begitu kecil bermakna haba yang dihasilkan boleh terkumpul dengan cepat. Dalam cip konvensional, sink haba, pes haba dan reka bentuk pakej tertentu digunakan untuk menarik haba keluar; walau bagaimanapun, dalam gentian ultra nipis, hampir tiada luas permukaan atau jisim haba yang tersedia untuk mengagihkan tenaga tersebut.
Strategi baharu diperlukan, seperti bahan dengan kekonduksian terma tinggi yang disepadukan ke dalam struktur gentian itu sendiri, reka bentuk yang mengagihkan kawasan aktiviti terbesar di sepanjang benang, atau protokol operasi yang mengehadkan puncak penggunaanJika tidak dikawal dengan betul, titik panas boleh merosakkan elektronik dan sebarang fabrik atau bahan yang bersentuhan dengannya.
Satu lagi cabaran besar ialah ketersambungan dengan sistem elektronik lainWalaupun setiap gentian boleh berfungsi sebagai sistem autonomi, dalam banyak aplikasi, ia perlu untuk menyampaikan hasilnya kepada rangkaian tanpa wayar seperti 5G dan IoTPemproses atau sistem storan yang lebih berkuasa. Mengintegrasikan antena, modul komunikasi atau penyambung yang boleh dipercayai ke dalam wayar 50 mikrometer bukanlah sesuatu yang mudah.
Tambahan pula, berkenaan dengan industri tekstil, perlu ditunjukkan bahawa proses pembuatan gentian ini boleh skala kepada jumlah yang besar tanpa kehilangan kualiti. Pasukan Fudan berhujah bahawa pendekatan mereka serasi dengan teknik pembuatan tekstil sedia ada, tetapi peralihan daripada persekitaran makmal terkawal kepada mesin pengeluaran besar-besaran merupakan satu lonjakan yang sentiasa membawa kejutan.
Akhir sekali, keperluan untuk ujian kebolehpercayaan yang meluas di bawah keadaan dunia sebenar tidak boleh diabaikan: kitaran basuhan berterusan, pendedahan kepada peluh, variasi suhu ambien, lipatan yang melampau semasa memakai dan menanggalkan pakaian… Keteguhan yang ditunjukkan setakat ini sangat menjanjikanTetapi ujian lapangan berskala besar akan menentukan sama ada gentian ini benar-benar boleh bertahan selama bertahun-tahun penggunaan seharian.
Konteks, implikasi dan masa depan pengkomputeran berbilang utas
Kerja yang diketuai oleh Peng Huisheng dan pasukannya Penyelidikan di Universiti Fudan sesuai dengan trend yang lebih luas yang bertujuan untuk mengintegrasikan elektronik ke dalam hampir setiap objek di sekeliling kita. Daripada sensor yang ditenun pada permaidani dan langsir kepada bahan binaan dengan keupayaan pemantauan, ideanya adalah untuk mengaburkan garisan antara "peranti elektronik" dan "objek harian".
Secara selari, kumpulan lain telah bereksperimen dengan gentian semikonduktor untuk pengesanan dan komunikasi, dengan fabrik yang meniru tingkah laku rangkaian sarafdan dengan struktur lembut yang mampu belajar daripada persekitaran dan menyesuaikan diri. Kebaharuan litar bersepadu gentian berketumpatan tinggi ialah ia membawa kuasa pengkomputeran sebenar kepada visi ini, menghampiri apa yang akan menjadi rangkaian mikropemproses yang diedarkan pada skala thread.
Apabila teknologi ini semakin matang, adalah munasabah untuk membayangkan pakaian yang, selain mengukur tanda-tanda vital, mempelajari corak tingkah laku penggunamenyesuaikan diri dengan rutin mereka dan membuat keputusan secara tempatan: melaraskan pengudaraan jaket mengikut aktiviti, mengesan jatuh yang mencurigakan, mengurus privasi data yang dikumpul secara autonomi, dsb.
Terdapat juga implikasi etika dan privasi yang ketara. Apabila pakaian, katil atau sofa menjadi peranti yang mengira dan menyimpan dataAdalah perlu untuk menentukan dengan teliti siapa yang mengawal maklumat ini, bagaimana ia dirahsiakan, bagaimana ia dikongsi, dan apa yang menjamin pengguna bahawa ia tidak akan disalahgunakan. Perkara yang sama berlaku untuk peranti implan lembut: potensi perubatannya yang besar disertai dengan persoalan tentang keselamatan, akses jarak jauh dan penyalahgunaan data neurologi.
Dari sudut teknikal semata-mata, langkah seterusnya mungkin akan tertumpu pada peningkatan prestasi transistor dalam gentian optik, mengintegrasikan modul memori dan komunikasi tanpa wayar yang tidak meruap dalam thread itu sendiri, dan membangunkan seni bina pengkomputeran teragih yang dioptimumkan untuk sokongan unik sedemikian. Menggabungkan FIC ini dengan algoritma kecerdasan buatan ringan terbenam boleh membawa kepada pakaian dan peranti penyesuaian diri dengan tahap autonomi yang tidak dapat difikirkan hanya beberapa tahun yang lalu.
Walaupun masih jauh lagi sebelum cip gentian ini sampai ke rak kedai, keputusan semasa menjelaskan bahawa pemisahan klasik antara litar elektronik dan bahan struktur semakin kabur, dan itu Objek harian kita sedang dalam perjalanan untuk menjadi rangkaian otak kecil yang ditenun, digulung, dan tersembunyi di setiap benang..
