La traditsiooniline kõva räni elektroonikaVana tehnoloogia, mis on paigaldatud trükkplaatidele ja kapseldatud plastseadmetesse, on astunud üle uuele võistlejale, kes teeb jõulist sisenemist: kiibid, mis on integreeritud üliõhukestesse kiududesse, mis on sõna otseses mõttes õhemad kui inimese juuksekarv. See idee, mis mõni aasta tagasi kõlas ulmena, on nüüd toetatud eksperimentaalsete tulemustega, mis on avaldatud tipptasemel ajakirjades nagu Nature.
Rühm teadlasi Fudani ülikool Shanghais Neil on õnnestunud luua terviklikke integraallülitusi painduva niidi sisse, mis on võimeline painutama, venima ja taluma suuri jõude ilma funktsionaalsust kaotamata. Me räägime kiududest, mis integreerivad kümneid tuhandeid transistore millimeetrite pikkuses, millel on töötlemisvõimsus, mis on võrreldav kommertskiipide omaga kasutatakse koduarvutites või biomeditsiinilistes implantaatides. Ja parim osa on see, et see formaat võimaldab sõna otseses mõttes riietesse põimides arvutitbioloogilised koed ja igapäevased esemed.
Mis on kiust kiud, mis on õhem kui inimese juuksekarv?
Rääkides a kiudpõhine kiudlaast, mis on juuksekarvast õhemSee pole lihtsalt lihtne traat, mille külge on kinnitatud elektroonika, vaid ehtne integraallülitus, mis on enda ümber keritud ja polümeerfilamenti kapseldatud. Tüüpiline läbimõõt on umbes 50 mikromeetrit, umbes inimese juuksekarva paksune, kuid selle pisikese ruumi sees asub täielik ja funktsionaalne mikroelektrooniline süsteem.
Need kõned kiudintegraallülitused ehk FIC (kiudintegraallülitused) Need ühendavad silindrilise geomeetriaga transistorid, takistid, kondensaatorid, dioodid, ühendusliinid, mälu ja signaalitöötlusplokid. Tänu sellele ei piirdu kiud ainult edastamise või tuvastamisega, vaid saab ka... töötle teavet lokaalselt, teostada loogilisi operatsioone, filtreerida signaale ja isegi täita põhilisi pildituvastuse ülesandeid lihtsate närvivõrkude abil.
Peamine erinevus võrreldes eelmiste põlvkondade elektrooniliste kiududega on integratsioonitihedusFudani meeskond on saavutanud kuni 100 000 transistorit kiu sentimeetri kohta, mis vastab ülisuuremõõtmelise integratsiooni (VLSI) kriteeriumidele, mis iseloomustavad üldotstarbelisi kiipe. Praktikas tähendab see, et üks meeter seda kiudu võib sisaldada transistoride arvu, mis on võrreldav tüüpilise lauaarvuti protsessori omaga.
Funktsionaalsest vaatepunktist käitub iga niidi segment nagu eraldiseisev mikroarvutisüsteemSellel on aktiivsed ja passiivsed komponendid, mälu, andmetöötlusvõimalused ja välise suhtluse võimalused. See pole lihtsalt laiendatud andur, vaid intelligentne sõlm, mida saab rõivaesemel või implantaadil sentimeeterhaaval korrutada.
Mitmed erialameedia väljaanded ja akadeemilised väljaanded on rõhutanud, et see edasiminek kujutab endast kvalitatiivset hüpet võrreldes praeguste kantavate lahendustega, mis sõltuvad jäigad moodulid õmmeldud või liimitud kangastele ja välistele protsessoritele mis tahes asjakohase toimingu teostamiseks.
Arhitektuur: "sushi" nipp kiibi niidile panemiseks
Peamine takistus ehitamisel kiip nii õhukeses kius Asi pole ainult materjalides, vaid ka geomeetrias: klassikalist mikroelektroonikat toodetakse tasapinnalistel räniplaatidel fotolitograafia abil, mis on äärmiselt täpne protsess siledate pindade saamiseks. Keeruliste vooluringide söövitamine otse juuksekarva paksusele silindrile on standardsete tehnikatega praktiliselt võimatu.
Selle piirangu vältimiseks kasutas Fudani meeskond geniaalset strateegiat, mis oli inspireeritud Kuidas rullida maki või sushirulliEsiteks toodavad nad kõik komponendid (transistorid, kondensaatorid, takistid, ühendused) tasasele elastsele polümeerile, kasutades fotolitograafiat ja plasma söövitustööriistu, mis on väga sarnased pooljuhtide tööstuses kasutatavatega.
Kui 2D vooluring on valmis, kaetakse see leht a-ga tihe polümeerkile mis toimib kaitserüüna, vähendades pinna karedust alla ühe nanomeetri. See on litograafia mikromeetrilise täpsusega toimimise ja defektide vältimise võti, mis võivad rööpaid kerimisel purustada.
Järgmine samm on lehe enda peale rullimine, järgides a mitmekihiline spiraalne arhitektuurKiht kihi haaval, nagu kompaktne rull, pakitakse vooluring kiu sisse spiraalselt. See geomeetriline trikk võimaldab kiu sisemist mahtu äärmuslikult ära kasutada: kui varem mahtus sinna ainult üks juht, siis nüüd on seal tuhandete aktiivsete seadmetega kolmemõõtmeline vooluring.
Lõpuks on kogu konstruktsioon hermeetiliselt suletud elastse polümeerkattega, mille tulemuseks on pidev, painduv ja ideaalselt isoleeritud hõõgniitSee protsess ei kasuta traditsioonilisi jäiku vahvleid, mis rikub aastakümneid kestnud idee, et "kiipe saab valmistada ainult ränist ja need on tasapinnalised".
Muljetavaldavad jõudlus- ja integratsiooniandmed
Üks aspekte, mis on teadus- ja tehnoloogiaringkondade tähelepanu enim köitnud, on nii väikeses ruumis saavutatav integreerimisvõimeLaboratoorse fotolitograafia umbes ühe mikromeetri täpsusega on Hiina meeskonnal õnnestunud sisestada umbes 10 000 transistorit vaid ühe millimeetri kiu sisse ja teatud konfiguratsioonides kuni 100 000 transistorit sentimeetri kohta.
Kui seda tihedust ekstrapoleerida, võib ühe meetri pikkune ahel akumuleerida transistore, mille suurusjärk läheneb a-le. klassikaline keskprotsessorKuigi võrreldes tipptasemel kommertsprotsessoritega on endiselt olulisi erinevusi, on idee, et tekstiilniit võiks sisaldada biomeditsiiniliste või juhtkiipidega võrreldavat arvutusvõimsust, kindlasti intrigeeriv.
Lisaks transistoride lihtsale arvule tuleb arvestada ka integreeritud funktsionaalsusLisaks transistoridele sisaldab kiud passiivseid komponente, nagu takistid ja kondensaatorid, dioodid, mälu ning analoog- ja digitaaltöötlusplokid. Demonstreeritud prototüübid on suutnud hallata segatud signaale, teostada loogilisi operatsioone, juhtida väljundmustreid (näiteks kuvada lihtsaid pilte kootud paneelidel) ja isegi rakendada põhilisi tuvastamisülesandeid riistvaraliste närvivõrkude abil.
Tehnilisest küljest on VLSI-st (väga laiaulatuslikust integratsioonist) rääkimine sellise peene silindrilise geomeetria raames paradigma muutus. Aastakümneid peeti seda ebapraktiliseks Selle integratsioonitiheduse viimine jäikadest aluspindadest väljapoole on olnud keeruline, kuid täiustatud litograafia, elastsete polümeeride ja spiraalse disaini kombinatsioon on muutnud selle vähemalt laboris elujõuliseks.
Teised uurimissuunad, näiteks pooljuhtkiud sensori ja signaali edastamiseks, mida on kirjeldatud sellistes väljaannetes nagu ScienceDaily, osutasid juba täiustatud elektroonilistele tekstiilidele, kuid ei jõudnud sellele tasemele. integreeritud kohalik andmetöötlusSiin lakkab kiud olemast lihtne "andurikaabel" ja muutub koes laiali jaotatud ajuks.
Äärmuslik mehaaniline vastupidavus ja pikaajaline stabiilsus
Lisaks elektroonilisele võimsusele paistab kiudkiip silma ka selle poolest, et täiesti erakordne mehaaniline vastupidavus elektroonilise komponendi jaoks. Läbiviidud katsetes pidasid need kiud 15,6-tonnise veoauto läbisõidule tõrgeteta vastu, säilitades oma funktsionaalsuse ka pärast seda jõhkrat purustusjõudu.
Asi pole ainult purustamises: kiud on läbinud kümneid tuhandeid painutamise, keeramise ja venitamise tsükleid ületades 30% nende pikkusest, ilma et oleks täheldatud märkimisväärset jõudluse langust. Neid on ka korduvalt hõõrutud enam kui 100 000 korda, mis on väga oluline, arvestades pidevat hõõrdumist ja liikumist, millele rõivas oma eluea jooksul allub.
Teine silmatorkav fakt on kiudude võime talub kõrgel temperatuuril pesemistTestid näitavad, et see talub pesuvahendeid ja temperatuure kuni 100 kraadi Celsiuse järgi ilma sisemiste vooluringide halvenemiseta, suuresti tänu polümeerkapseldusele, mis toimib niiskuse ja keemiliste ainete vastase barjäärina.
Vastupidavus on seotud ka kasutatud materjalide elastse ühilduvusega. Aluspolümeer ja kihtide spiraalne jaotus tagavad mehaaniliste deformatsioonide ühtlase jaotumise, vältides pingete kontsentratsioonipunktide teket, mis võivad rööpaid purustada. võime kohaneda keerukate keerdkäikude ja venitustega See on kriitilise tähtsusega tekstiilide ja bioloogiliste kangaste rakenduste jaoks, kus liikumine ei ole sujuv ega etteaimatav.
Kokkuvõttes viitavad kõik need mehaanilise tugevuse andmed koos elektrilise stabiilsusega sellele, et need kiud võivad pakkuda eluiga on paljude tavapäraste kangaste omaga sarnane või isegi pikemSee avab ukse tõeliselt praktilistele rõivastele ja pehmetele seadmetele igapäevaseks kasutamiseks.
Jäigast plaadist nutika niidini: paradigma muutus kantavates seadmetes
Kuni praeguseni, kui me rääkisime nutikad riided ja kantavad esemedEnamasti leidsime tavalisi kangaid, millele oli lisatud jäik moodul: väike trükkplaat andurite ja mikrokontrolleriga, mahukas aku ja võib-olla ka tekstiiljuhtmestik signaali ühest kohast teise edastamiseks. Teisisõnu, elektroonika oli rõivaeseme külge "kinnitatud", kuid see ei olnud osa selle sisemisest struktuurist.
Kiudoptiliste kiipidega võtab lähenemine pöörde: arvutustehnika integreeritakse lõime endasseIga kiud saab toimida anduri, protsessori ja väljundelemendina, luues kanga, kus kogu pind on hajutatud intelligentsete sõlmede süsteem, mis omavahel koostööd teevad.
Kujutage näiteks ette spordisärki, mille õmblused sisaldavad kiude, mis on võimelised mõõtma biomeetrilisi parameetreid (pulss, temperatuur, hingamine), töötlema neid andmeid lokaalselt ja otsustama, millist teavet on oluline välisele seadmele saata. See vähendab vajadust keskne mikrokontroller ja minimeerib latentsust, kuna paljud otsused tehakse kiu enda sees.
Teine väga atraktiivne stsenaarium on rõivad, millel on võime kuvada teavet kanga kohtaKinnitatud ekraani asemel võiks särgi varrukas või rindkere toimida kuvamispinnana, mida juhivad integreeritud kiud, mis tegelevad nii valgust kiirgavate elementide (LED-id, mikroekraanid või ühilduvad tulevikutehnoloogiad) töötlemise kui ka haldamisega.
See lähenemine sobib ideaalselt trendiga, mis on suunatud kõikjalolev andmetöötlusMõne võimsa ja nähtava seadme asemel on trendiks palju diskreetsemad seadmed, mis on integreeritud igapäevastesse esemetesse, alates mööblist kuni rõivasteni. Integraallülitustega kiud on üks puuduvatest osadest, mis on vajalikud elektroonika korpusest konstruktsioonimaterjali enda sisse toomiseks.
Meditsiinilised rakendused ja aju-arvuti liidesed
Lisaks moele ja tarbekaupadele on üks valdkondi, kus seda tüüpi kiul on suurim potentsiaal, ... meditsiin ja aju-arvuti liidesed (BCI-d)Vooluelektroodid ja implanteeritavad seadmed on tavaliselt jäigad või pooljäigad, mis tekitab olulise mehaanilise mittevastavuse keha pehmete kudede, eriti ajukoega.
Kui kõva komponent viiakse pehmesse keskkonda, tekib mikroliigutused ja pinged mis võib põhjustada põletikku, koekahjustusi või pikaajalist äratõukereaktsiooni. Elastsetel polümeeridel põhinevad kiud on seevastu ajukoega sarnase pehmusega, mis võimaldab neil palju vähem agressiivselt integreeruda ja paremini organi loomulike liikumistega kohaneda.
Selle suur eelis on see, et kiud ei toimi mitte ainult elektroodina või passiivse andurina, vaid on võimeline ka signaalide tuvastamine, töötlemine ja tagastamine suletud ahelasTeisisõnu, see suudab salvestada neuronaalset aktiivsust, filtreerida ja töödelda seda lokaalselt ning genereerida elektrilisi stiimuleid või tagasisidet reaalajas, ilma et oleks vaja kogu toorinfot välisele seadmele saata.
See suletud ahelaga lähenemine on äärmiselt kasulik neuromoduleerivad ravimeetodid ja täiustatud proteesidkus aju ja seadme vahelise suhtluse kiirus ja täpsus on üliolulised. Mõnede arvutuste tegemine kiu sees parandab signaali-müra suhet ning vähendab edastatavate andmete mahtu, lihtsustades seeläbi kogu süsteemi ülesehitust.
Lisaks võimaldavad kiudkiibi paindlikkus ja tugevus pikaajalisi, kroonilisi implantaate, millel on väiksem purunemisoht ja suurem mehaaniline bioühilduvus. Pole juhus, et see töö on tekitanud huvi pühendunud kogukonnas. BCI, neuroinseneriteadus ja biomeditsiiniline elektroonikakus nad on aastaid otsinud "pehmet elektroonikat", mis räägib kehaga sama mehaanilist keelt.
Virtuaalreaalsus, täiustatud haptika ja kaugkirurgia
Valdkonnas virtuaalreaalsus (VR) ja liitreaalsus (AR)Integraallülitustega kiud avavad võimalusi, mis ulatuvad kaugemale lihtsatest positsioonianduritega kinnaste süsteemist. Seda tüüpi lõngast kootud kinnas võib sisaldada väga tihedaid andureid, lokaalset töötlemist ja hajutatud haptilisi täiturmehhanisme.
See tähendab, et igal sõrmel, igal liigesel ja igal käepiirkonnal võis olla rõhu, pinge ja temperatuuri tuvastamineSignaali töödeldakse reaalajas kius endas ja teisendatakse täpseteks haptilisteks signaalideks (vibratsioon, rõhk, väikesed taktiilsed impulsid). Latentsusaeg on minimeeritud, kuna iga väikese arvutuse jaoks ei ole vaja suurt keskprotsessorit.
Sammu edasi astudes võiksid need nutikatel kiududel põhinevad haptilised kindad ja rõivad olla kasutatavad ... Kaugkirurgia ja meditsiiniline telepresenceKirurg sai robotinstrumente kaugjuhtimise teel juhtida ja tänu kiudude tekitatud haptilisele tagasisidele tunda kudede ja organite tekstuuri ja takistust peaaegu nii, nagu oleksid need tema käte all.
Tööstuslikes keskkondades võivad seda tüüpi kiudkiibiga varustatud kombinesoonid või kindad jälgige pidevalt kehahoiakut, füüsilist koormust ja masinatega suhtlemist, tuvastades ohtlikke mustreid ja hoiatades töötajat või juhtimissüsteeme enne õnnetuse toimumist.
Ka vaba aja veetmise maailmas avaneb palju uksi: VR-kostüümid realistlikumate kontaktaistingutega, spordirõivad, mis suudavad mängudes lööke, tõmbeid või simuleeritud mõjusid taasluua, või ülitäpsed žestiliidesed mis tõlgendavad iga sõrme asendit ja lihaspingutust keerukate digitaalsete süsteemide juhtimiseks.
Silmapaistvad tehnilised väljakutsed: energia, küte ja ühendused
Vaatamata suurepärastele tulemustele on see tehnoloogia endiselt laborifaasis ja sellel on mitmeid puudusi. märkimisväärsed tehnilised väljakutsed mis tuleb lahendada enne, kui me seda massturu kommertstoodetes näeme.
Esimene on Energia juhtimine ja soojuse hajumineTöötlemise ja mälu koondamine nii väikesesse mahutisse tähendab, et tekkiv soojus saab kiiresti akumuleeruda. Tavapärastes kiipides kasutatakse soojuse väljajuhtimiseks jahutusradiaatoreid, termopastasid ja spetsiaalseid pakendikonstruktsioone; üliõhukese kiu puhul on aga selle energia jaotamiseks peaaegu olematu pindala või termiline mass.
Vaja on uusi strateegiaid, näiteks kiudstruktuuri integreeritud kõrge soojusjuhtivusega materjalid, disainilahendused, mis jaotavad suurima aktiivsusega alad lõnga ulatuses või tarbimistippe piiravad tööprotokollidKui kuumad kohad ei ole korralikult kontrolli all, võivad need kahjustada nii elektroonikat kui ka kõiki kangaid või materjale, millega nad kokku puutuvad.
Teine suur väljakutse on ühenduvus teiste elektrooniliste süsteemidegaKuigi iga kiud saab toimida autonoomse süsteemina, on paljudes rakendustes vaja edastada selle tulemusi traadita võrkudesse, näiteks 5G ja asjade internetVõimsamad protsessorid või salvestussüsteemid. Antennide, sidemoodulite või usaldusväärsete pistikute integreerimine 50-mikromeetrise juhtme sisse pole just triviaalne.
Lisaks tuleb tekstiilitööstuse puhul tõendada, et nende kiudude tootmisprotsess on ... skaleeri suurte mahtudeni kvaliteeti kaotamata. Fudani meeskond väidab, et nende lähenemisviis on ühilduv olemasolevate tekstiilitootmistehnikatega, kuid üleminek kontrollitud laborikeskkonnast masstootmismasinatele on hüpe, mis alati üllatusi toob.
Lõpuks ei saa tähelepanuta jätta vajadust ulatusliku töökindluse testimise järele reaalsetes tingimustes: pidevad pesutsüklid, higistamine, ümbritseva õhu temperatuuri kõikumised, äärmuslik voltimine riiete selgapanemisel ja seljastvõtmisel… Seni näidatud vastupidavus on väga paljulubavKuid ulatuslikud välikatsed teevad kindlaks, kas need kiud suudavad tõesti aastaid igapäevasel kasutamisel vastu pidada.
Mitmekeermelise andmetöötluse kontekst, tagajärjed ja tulevik
Töö juhitud Peng Huisheng ja tema meeskond Fudani ülikooli uuring sobitub laiemasse trendi, mille eesmärk on integreerida elektroonikat peaaegu igasse meid ümbritsevasse objekti. Alates vaipadesse ja kardinatesse põimitud anduritest kuni jälgimisvõimalustega ehitusmaterjalideni – idee on hägustada piiri „elektroonilise seadme” ja „igapäevase eseme” vahel.
Paralleelselt on teised rühmad katsetanud pooljuhtkiude sensori ja kommunikatsiooni jaoks. kangad, mis jäljendavad närvivõrkude käitumistja pehmete struktuuridega, mis on võimelised keskkonnast õppima ja kohanema. Suure tihedusega kiudintegraallülituste uudsus seisneb selles, et need toovad sellesse visiooni reaalset arvutusvõimsust, lähenedes sellele, mis oleks niiditasandil jaotatud mikroprotsessorite võrgustik.
Nende tehnoloogiate arenedes on mõistlik ette kujutada rõivaid, mis lisaks elutähtsate näitajate mõõtmisele õppida kasutajate käitumismustreidkohaneda oma rutiinidega ja teha kohapealseid otsuseid: reguleerida jope ventilatsiooni vastavalt tegevusele, tuvastada kahtlaseid kukkumisi, hallata autonoomselt kogutud andmete privaatsust jne.
Samuti on olulisi eetilisi ja privaatsusega seotud tagajärgi. Kui riided, voodid või diivanid muutuvad seadmed, mis arvutavad ja salvestavad andmeidVaja on väga hoolikalt määratleda, kes seda teavet kontrollib, kuidas seda anonüümseks muudetakse, kuidas seda jagatakse ja millised on kasutaja garantiid, et seda ei kuritarvitata. Sama kehtib ka pehmete implanteeritavate seadmete kohta: nende tohutu meditsiinilise potentsiaaliga kaasnevad küsimused turvalisuse, kaugjuurdepääsu ja neuroloogiliste andmete väärkasutamise kohta.
Puhttehnilisest vaatenurgast keskenduvad järgmised sammud tõenäoliselt fiiberoptika transistoride jõudluse parandamisele, integreerides püsimälu ja traadita side moodulid niidi enda sees ja arendada hajusarvutuse arhitektuure, mis on optimeeritud sellise ainulaadse toe jaoks. Nende FIC-ide kombineerimine manustatud kergete tehisintellekti algoritmidega võib viia iseadaptiivsete rõivaste ja seadmeteni, millel on autonoomia aste, mis oleks veel mõned aastad tagasi mõeldamatu olnud.
Kuigi nende juuksekarvast õhemate kiudlaastude jõudmiseni poeriiulitele on veel pikk tee minna, näitavad praegused tulemused selgelt, et klassikaline piir elektroonikalülituse ja konstruktsioonimaterjali vahel on hägustumas ning et Meie igapäevased esemed on teel muutuma pisikeste ajude võrgustikeks, mis on põimitud, keerdunud ja peidetud igasse niiti..
