Elastyczna elektronika noszona od dawna wydaje się obiecywać więcej, niż jest w stanie dotrzymać. Pomysły na inteligentne ubrania czy bezproblemowe monitorowanie zdrowia często rozbijają się o prozaiczną kwestię: gdzie schować potrzebną do tego moc obliczeniową. Dotychczasowe rozwiązania często są jedynie zbiornikami pasywnych czujników, które i tak muszą wysyłać dane do zewnętrznego, sztywnego urządzenia. Wygląda jednak na to, że klucz do prawdziwej zmiany może leżeć w zupełnie niespodziewanym miejscu.
Badacze z Uniwersytetu Fudan w Szanghaju opracowali elastyczny chip światłowodowy o grubości ludzkiego włosa, który jest w stanie samodzielnie przetwarzać informacje. Najciekawszy jest jednak nie sam efekt, ale sposób, w jaki go osiągnięto.
Nie uwierzysz, jak wyjątkowe jest to nowe włókno
Punktem wyjścia do tej konstrukcji jest gęstość upakowania tranzystorów. Sto tysięcy elementów aktywnych na centymetr włókna to już poziom zbliżony do klasycznych układów scalonych bardzo dużej skali integracji. W praktyce oznacza to, że takie włókno nie musi się ograniczać do pojedynczego czujnika czy prostej logiki, ale może realizować całe łańcuchy przetwarzania sygnału, obejmujące filtrowanie, wzmacnianie, a nawet proste operacje logiczne. Niezależne doniesienia pokazują, że laboratoryjne prototypy potrafią wykonywać zarówno przetwarzanie cyfrowe, jak i analogowe oraz zadania przypominające obliczenia neuronowe, co sugeruje, że w przyszłości w samej tkaninie można będzie uruchomić proste algorytmy uczenia maszynowego.
Czytaj też: Sprytnie połączą paliwa kopalne z odnawialnymi. Czy taka przyszłość ma sens?
Chińskie źródła podają dodatkowe liczby, które pomagają wyobrazić sobie skalę projektu. Odcinek włókna o długości zaledwie 1 milimetra mieści około 10 tysięcy tranzystorów, co daje moc porównywalną z układami stosowanymi w rozrusznikach serca. Rozciągnięcie włókna do 1 metra oznacza już miliony tranzystorów i poziom zbliżony do klasycznego procesora komputerowego. To właśnie dlatego taki metrowy “sznur elektroniki” może w teorii przejąć rolę centralnego układu scalonego w systemie ubieralnym, zamiast być tylko peryferyjnym dodatkiem do telefonu.
Sama architektura włókna jest równie ważna, jak liczby. Zespół Fudanu nie ograniczył się do naniesienia ścieżek na powierzchnię. Wykorzystał wnętrze włókna, budując wielowarstwową spiralę obwodów, określaną w publikacjach mianem “wielowarstwowej spiralnej architektury”, co pozwala lepiej wykorzystać objętość włókna i nie tylko jego obwód, a jednocześnie zapewnia kompatybilność z istniejącymi technikami litografii. Cały proces rozpoczyna się od umieszczenia ultracienkich obwodów na elastycznym podłożu. Następnie naukowcy nakładają na nie warstwę ochronnego polimeru. Kulminacyjnym etapem jest zwinięcie tej wielowarstwowej konstrukcji w ciasną spiralę. Badacze chwalą się, że udało im się zejść z chropowatością powierzchni polimerowego podłoża poniżej 1 nanometra, co jest wymagane przez współczesne procesy litograficzne i sprawia, że tę technologię potencjalnie da się wpiąć w obecne linie produkcyjne.
Odporność godna materiału do użytku codziennego
Testy, którym poddano nowe włókno, brzmią jak scenariusze testów dla supersamochodów, a nie delikatnej elektroniki. Układ nie tylko przetrwał przejechanie przez koła ciężarówki ważącej ponad 15 ton, ale po takiej akcji nadal działał bez zarzutu. W laboratorium wytrzymał też sto tysięcy cykli zginania, co jest liczbą wielokrotnie przekraczającą to, co może spotkać zwykły smartwatch przez cały okres użytkowania. Równie dobrze poradził sobie z rozciąganiem o ponad 30 procent oraz z kolejnymi stu tysiącami cykli tarcia. Taka odporność nie jest dziełem przypadku, bo spiralna struktura pozwala na równomierne rozkładanie naprężeń mechanicznych, skutecznie chroniąc tym samym wewnętrzne, delikatne obwody. Jest to kluczowa cecha dla czegokolwiek, co ma być noszone, prane i użytkowane w codziennym, nieprzewidywalnym środowisku.
Czytaj też: 140-GHz potęga uderza w centra danych. Czy to początek końca przewodowych połączeń?
Najważniejszym osiągnięciem jest jednak opisana wyżej autonomia. Te włókna stanowią samowystarczalne, zintegrowane systemy, w których zasilanie, sensory i procesor są zawarte w jednej, ciągłej strukturze. Nie potrzebują zatem zewnętrznego mózgu w postaci smartfona czy komputera, by analizować zebrane dane, a to akurat zasadnicza różnica w porównaniu z większością obecnych rozwiązań z kategorii “urządzeń do noszenia”. Dzięki temu wszystkiemu możliwości potencjalnych zastosowań są szerokie, choć w dużej mierze wciąż teoretyczne. W medycynie mogłyby pozwolić na stworzenie opasek czy nawet tkanin monitorujących parametry życiowe w czasie rzeczywistym, zdolnych do natychmiastowej, lokalnej analizy i alarmowania o nieprawidłowościach. W sporcie interaktywna odzież mogłaby z kolei śledzić biomechanikę ruchu i dostarczać natychmiastowych wskazówek. Pewnym marzeniem są też inteligentne rękawice chirurgiczne, które poprzez sprzężenie zwrotne informowałyby lekarza o dokładnym nacisku na tkanki.
Czytaj też: Pole elektryczne przepisuje chemię wody. Eksperci mówią o konsekwencjach dla sektora energetycznego
Prace chińskiego zespołu pokazują, że droga do prawdziwie elastycznej elektroniki niekoniecznie musi prowadzić przez dalszą miniaturyzację sztywnych krzemowych płytek. Czasami wystarczy kreatywne spojrzenie, a w tym przypadku sięgnięcie po inspirację do japońskiej kuchni. Technologia zdecydowanie wymaga jeszcze wielu lat badań i dopracowania zanim trafi z laboratoriów do masowej produkcji. Nie zmienia to jednocześnie faktu, że potencjał jest ogromny i niesie ze sobą obietnicę przyszłości, w której inteligencja będzie wpleciona w materiał naszych ubrań.