Ученые из Фуданьского университета в Шанхае представили технологию, которая меняет представление о носимой электронике. Им удалось встроить полноценную вычислительную систему прямо внутрь гибкого волокна толщиной меньше человеческого волоса. Разработка, опубликованная в журнале Nature получила название «волоконный чип» и стала результатом более чем десятилетней работы.
Как работает компьютер в нитке
Ключевая идея состоит в пространственной архитектуре. Вместо размещения элементов на поверхности ученые сформировали многослойные электронные цепи в виде спирали и «запечатали» их внутри ультратонкого волокна.
В одном миллиметре такой нити размещается около 10 000 транзисторов — базовых элементов, управляющих прохождением электрического тока. По вычислительным возможностям это сопоставимо с современным кардиостимулятором. При увеличении длины волокна до одного метра количество транзисторов может достигать миллионов, что теоретически приближает систему к уровню настольного компьютера.
Важно и то, что волокно содержит не только транзисторы. Внутрь также интегрированы резисторы, конденсаторы и диоды, благодаря чему чип способен работать с замкнутыми цепями и обрабатывать как цифровые, так и аналоговые сигналы. По сути, это полноценный компьютер, распределенный вдоль нити.
Почему это важно для текстиля
Диаметр волокна составляет около 50 микрометров, тогда как средний человеческий волос имеет толщину примерно 70 микрометров. Это делает «волоконный чип» практически незаметным при вплетении в ткань и не меняет ее ощущения на ощупь.
Такие материалы могут использоваться для создания «умной» одежды, которая в реальном времени отслеживает состояние здоровья, реагирует на изменения температуры, а в перспективе — собирает данные об окружающей среде и передвижениях человека.
«Наш метод производства в значительной степени совместим с технологиями, используемыми в современной микроэлектронной промышленности. Мы уже разработали способ массового изготовления таких волокон», — отмечает Чен Пейнин, научный сотрудник Института волоконных материалов и устройств Фуданьского университета.
Медицинские и нейротехнологические применения
Особый интерес разработка вызывает в медицине. По своим механическим свойствам волокна близки к тканям мозга, что делает их перспективными для биосовместимых имплантатов и нейроинтерфейсов.
«Человеческое тело состоит из мягких тканей, поэтому такие направления, как интерфейсы “мозг–компьютер”, требуют гибких электронных систем», — подчеркивает руководитель исследования Пэн Хуэйшэн.
Технологию рассматривают для лечения симптомов болезни Паркинсона, эпилепсии и последствий инсульта, а также для использования в роботизированной хирургии. В качестве демонстрации команда создала тактильную перчатку, вплетя волоконные чипы в обычную ткань.
«Такие перчатки неотличимы от обычных, но способны передавать тактильные ощущения, позволяя хирургам “чувствовать” плотность тканей во время дистанционных операций», — объясняет Чен.
Проверка на прочность
Чтобы оценить практическую пригодность технологии, исследователи подвергли волокна интенсивным испытаниям. Они выдержали более 10 000 циклов изгиба и трения, растяжение до 30%, 100 циклов стирки, нагрев до 100 °C и сжатие, эквивалентное нагрузке от 15-тонного грузовика.
В настоящее время команда уже сотрудничает с клиникой, адаптируя волоконные чипы для применения в сердечно-сосудистой хирургии.
Создан растягивающийся OLED-дисплей
В Японии создали мягкую музыкальную колонку в виде ткани
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram