ชิปในเส้นใยที่บางกว่าเส้นผม: นี่คือเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์สิ่งทอแบบใหม่

La อิเล็กทรอนิกส์ซิลิคอนแข็งแบบดั้งเดิมเทคโนโลยีแบบเก่าที่ติดตั้งบนแผงวงจรและห่อหุ้มด้วยอุปกรณ์พลาสติก ได้ถูกแทนที่ด้วยคู่แข่งรายใหม่ที่กำลังมาแรง นั่นคือ ชิปที่ผสานรวมเข้ากับเส้นใยบางเฉียบ ซึ่งบางกว่าเส้นผมของมนุษย์เสียอีก แนวคิดนี้ซึ่งเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมาฟังดูเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์ ตอนนี้ได้รับการสนับสนุนจากผลการทดลองที่ตีพิมพ์ในวารสารชั้นนำ เช่น Nature แล้ว

กลุ่มนักวิจัยจาก มหาวิทยาลัยฟู่ตันในเซี่ยงไฮ้ พวกเขาประสบความสำเร็จในการสร้างวงจรรวมแบบครบวงจรภายในเส้นใยที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งสามารถโค้งงอ ยืด และทนต่อแรงมหาศาลได้โดยไม่สูญเสียการทำงาน เรากำลังพูดถึงเส้นใยที่รวมทรานซิสเตอร์หลายหมื่นตัวไว้ในความยาวเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ความสามารถในการประมวลผลเทียบเท่ากับชิปเชิงพาณิชย์ ใช้ในระบบคอมพิวเตอร์ที่บ้านหรืออุปกรณ์ฝังในร่างกายทางการแพทย์ และส่วนที่ดีที่สุดคือรูปแบบนี้ช่วยให้ การนำเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์มาผสานเข้ากับเสื้อผ้าอย่างแท้จริงเนื้อเยื่อทางชีวภาพและสิ่งของในชีวิตประจำวัน

ชิปที่ทำจากเส้นใยที่บางกว่าเส้นผมของมนุษย์คืออะไร?

เมื่อพูดถึงก ชิปที่ทำจากเส้นใยบางกว่าเส้นผมนี่ไม่ใช่แค่สายไฟธรรมดาที่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ติดอยู่ด้านนอก แต่เป็นวงจรรวมที่แท้จริงซึ่งพันรอบตัวเองและห่อหุ้มด้วยเส้นใยโพลีเมอร์ เส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 50 ไมโครเมตร ซึ่งมีความหนาประมาณเส้นผมของมนุษย์ แต่ภายในพื้นที่เล็ก ๆ นั้นกลับมีระบบไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่สมบูรณ์และใช้งานได้จริง

การโทรเหล่านี้ วงจรรวมใยแก้วนำแสง หรือ FIC (Fibre Integrated Circuits) พวกมันรวมเอาทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ไดโอด สายเชื่อมต่อ หน่วยความจำ และบล็อกประมวลผลสัญญาณไว้ภายในรูปทรงกระบอก ด้วยเหตุนี้ เส้นใยจึงไม่จำกัดอยู่แค่การส่งหรือรับสัญญาณ แต่ยังสามารถ... ประมวลผลข้อมูลในพื้นที่สามารถดำเนินการทางตรรกะ กรองสัญญาณ และแม้กระทั่งทำการจดจำภาพขั้นพื้นฐานโดยใช้โครงข่ายประสาทเทียมแบบง่ายๆ

ความแตกต่างหลักเมื่อเทียบกับใยแก้วนำแสงรุ่นก่อนๆ คือ ความหนาแน่นของการบูรณาการทีมของฟู่ตั้นประสบความสำเร็จในการผลิตทรานซิสเตอร์ได้มากถึง 100.000 ตัวต่อเซนติเมตรของเส้นใย ซึ่งตรงตามเกณฑ์การรวมวงจรขนาดใหญ่พิเศษ (VLSI) ที่ใช้ในชิปอเนกประสงค์ ในทางปฏิบัติ หมายความว่าเส้นใยยาวหนึ่งเมตรนี้สามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้จำนวนเทียบเท่ากับซีพียูของคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะทั่วไป

จากมุมมองเชิงฟังก์ชัน ส่วนของเกลียวแต่ละส่วนจะทำงานเหมือนกับ... ระบบไมโครคอมพิวเตอร์แบบสแตนด์อะโลนประกอบด้วยส่วนประกอบทั้งแบบแอctive และ passive หน่วยความจำ ความสามารถในการประมวลผลข้อมูล และความสามารถในการสื่อสารภายนอก ไม่ใช่แค่เซ็นเซอร์เสริม แต่เป็นโหนดอัจฉริยะที่สามารถเพิ่มจำนวนได้ทีละเซนติเมตรตามเสื้อผ้าหรืออุปกรณ์ฝังในร่างกาย

สื่อเฉพาะทางและสิ่งพิมพ์ทางวิชาการหลายแห่งได้เน้นย้ำว่าความก้าวหน้านี้แสดงถึงการก้าวกระโดดเชิงคุณภาพเมื่อเทียบกับโซลูชันอุปกรณ์สวมใส่ในปัจจุบัน ซึ่งขึ้นอยู่กับ... โมดูลแข็งที่เย็บหรือติดกาวเข้าด้วยกัน ส่งต่อไปยังโรงงานผ้าและผู้แปรรูปภายนอกเพื่อดำเนินการใดๆ ที่เกี่ยวข้อง

สถาปัตยกรรม: เทคนิค "ซูชิ" ในการวางชิปบนเส้นด้าย

อุปสรรคสำคัญในการสร้าง ชิปในเส้นใยที่บางมาก ไม่ใช่แค่เรื่องวัสดุเท่านั้น แต่ยังรวมถึงรูปทรงเรขาคณิตด้วย: ไมโครอิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมผลิตขึ้นบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนแบนโดยใช้โฟโตลิโทกราฟี ซึ่งเป็นกระบวนการที่มีความแม่นยำสูงมาก ออกแบบมาสำหรับพื้นผิวเรียบ การสลักวงจรที่ซับซ้อนลงบนทรงกระบอกที่มีความหนาเท่าเส้นผมมนุษย์โดยตรงนั้น แทบเป็นไปไม่ได้เลยด้วยเทคนิคมาตรฐาน

เพื่อหลีกเลี่ยงข้อจำกัดนี้ ทีมของฟู่ตั้นจึงใช้กลยุทธ์อันชาญฉลาดที่ได้รับแรงบันดาลใจจาก... วิธีการม้วนมากิหรือซูชิโรลขั้นแรก พวกเขาผลิตชิ้นส่วนทั้งหมด (ทรานซิสเตอร์ ตัวเก็บประจุ ตัวต้านทาน ตัวเชื่อมต่อ) บนแผ่นโพลีเมอร์ยืดหยุ่นแบบเรียบ โดยใช้เครื่องมือโฟโตลิโทกราฟีและเครื่องมือกัดด้วยพลาสมา ซึ่งคล้ายคลึงกับที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มาก

เมื่อวงจร 2 มิติเสร็จสมบูรณ์แล้ว แผ่นนั้นจะถูกเคลือบด้วย ฟิล์มโพลีเมอร์หนาแน่น ซึ่งทำหน้าที่เสมือนเกราะป้องกัน ลดความหยาบของพื้นผิวให้ต่ำกว่าหนึ่งนาโนเมตร นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำงานของลิโทกราฟีด้วยความแม่นยำระดับไมโครเมตร และเพื่อหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องที่อาจทำให้เส้นทางขาดเมื่อทำการม้วน

ขั้นตอนต่อไปคือการม้วนแผ่นกระดาษเข้าหากัน โดยทำตามขั้นตอนดังนี้ สถาปัตยกรรมเกลียวหลายชั้นวงจรถูกบรรจุเรียงเป็นชั้นๆ เหมือนม้วนกระดาษขนาดกะทัดรัด ในรูปทรงเกลียวภายในเส้นใย เทคนิคทางเรขาคณิตนี้ช่วยให้ใช้ปริมาตรภายในของเส้นใยได้อย่างเต็มที่: จากเดิมที่สามารถบรรจุตัวนำเพียงตัวเดียวได้ ตอนนี้สามารถบรรจุวงจรสามมิติที่มีอุปกรณ์ทำงานนับพันตัวได้แล้ว

สุดท้ายนี้ ชิ้นส่วนทั้งหมดจะถูกปิดผนึกอย่างแน่นหนาภายในชั้นเคลือบโพลีเมอร์ที่ยืดหยุ่นได้ ส่งผลให้ได้ผลลัพธ์ดังนี้ เส้นใยต่อเนื่อง ยืดหยุ่น และเป็นฉนวนอย่างสมบูรณ์แบบกระบวนการนี้ไม่ได้ใช้เวเฟอร์แบบแข็งแบบดั้งเดิม ซึ่งเป็นการลบล้างความคิดที่เชื่อกันมานานหลายทศวรรษว่า "ชิปต้องทำจากซิลิคอนและต้องแบนเท่านั้น"

ข้อมูลประสิทธิภาพและการบูรณาการที่น่าประทับใจ

หนึ่งในแง่มุมที่ดึงดูดความสนใจของวงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมากที่สุดคือ... ความสามารถในการบูรณาการที่ทำได้ในพื้นที่ขนาดเล็กเช่นนี้ด้วยความแม่นยำของกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีในห้องปฏิบัติการที่ประมาณหนึ่งไมโครเมตร ทีมวิจัยชาวจีนสามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้ประมาณ 10.000 ตัวลงในเส้นใยเพียงหนึ่งมิลลิเมตร และมากถึง 100.000 ตัวต่อเซนติเมตรในบางรูปแบบ

หากนำความหนาแน่นนี้ไปคาดการณ์ เส้นใยยาวหนึ่งเมตรอาจสะสมทรานซิสเตอร์ได้จำนวนมากจนเกือบถึงระดับของ... หน่วยประมวลผลกลางแบบคลาสสิกแม้ว่าจะยังมีข้อแตกต่างที่สำคัญเมื่อเทียบกับโปรเซสเซอร์เชิงพาณิชย์ระดับสูง แต่แนวคิดที่ว่าเส้นใยสิ่งทอสามารถบรรจุพลังการประมวลผลที่เทียบเท่ากับชิปทางการแพทย์หรือชิปควบคุมได้นั้นเป็นสิ่งที่น่าสนใจอย่างยิ่ง

นอกเหนือจากจำนวนทรานซิสเตอร์แล้ว ยังต้องพิจารณาปัจจัยอื่นๆ อีกด้วย ฟังก์ชันการทำงานแบบบูรณาการนอกจากทรานซิสเตอร์แล้ว เส้นใยยังประกอบด้วยส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เช่น ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ไดโอด หน่วยความจำ และบล็อกประมวลผลแบบอนาล็อกและดิจิทัล ต้นแบบที่แสดงให้เห็นนั้นสามารถจัดการกับสัญญาณผสม ดำเนินการทางตรรกะ ควบคุมรูปแบบเอาต์พุต (ตัวอย่างเช่น การแสดงภาพอย่างง่ายบนแผงที่ทอขึ้น) และแม้กระทั่งใช้งานฟังก์ชันการจดจำขั้นพื้นฐานโดยใช้เครือข่ายประสาทเทียมแบบฮาร์ดแวร์

ในทางเทคนิคแล้ว การที่สามารถพูดถึง VLSI (Very Large-Scale Integration) ภายในรูปทรงกระบอกที่ละเอียดเช่นนี้ ถือเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญ เป็นเวลาหลายสิบปีที่ถูกมองว่าเป็นเรื่องที่ไม่สามารถนำไปปฏิบัติได้จริง การนำความหนาแน่นของการรวมวงจรระดับนี้ไปใช้กับวัสดุภายนอกที่ไม่ใช่พื้นผิวแข็งนั้นเป็นเรื่องยาก แต่การผสมผสานระหว่างเทคโนโลยีการพิมพ์หินขั้นสูง โพลิเมอร์ยืดหยุ่น และการออกแบบแบบเกลียว ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้จริงอย่างน้อยในระดับห้องปฏิบัติการ

งานวิจัยด้านอื่นๆ เช่น เส้นใยเซมิคอนดักเตอร์สำหรับการตรวจจับและการส่งสัญญาณที่อธิบายไว้ในสิ่งพิมพ์ต่างๆ เช่น ScienceDaily ชี้ให้เห็นถึงสิ่งทออิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงแล้ว แต่ยังไม่ถึงระดับนี้ การประมวลผลระดับท้องถิ่นแบบบูรณาการในกรณีนี้ เส้นใยจะไม่ใช่แค่ "สายเคเบิลเซ็นเซอร์" ธรรมดาอีกต่อไป แต่จะกลายเป็นเหมือนสมองที่กระจายอยู่ทั่วเนื้อเยื่อ

ความทนทานต่อแรงทางกลสูงและความเสถียรในระยะยาว

นอกจากจะมีประสิทธิภาพทางอิเล็กทรอนิกส์สูงแล้ว ชิปไฟเบอร์ยังโดดเด่นในด้านอื่นๆ อีกด้วย ความต้านทานเชิงกลที่ยอดเยี่ยมอย่างแท้จริง สำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ในการทดสอบที่ดำเนินการ เส้นใยเหล่านี้สามารถทนต่อการทับถมของรถบรรทุกหนัก 15,6 ตันได้โดยไม่เสียหาย และยังคงใช้งานได้ตามปกติหลังจากแรงกระแทกอันรุนแรงนั้น

ไม่ใช่แค่การบดอัดเท่านั้น เส้นใยยังถูกกระทำด้วยกระบวนการอื่นๆ อีกด้วย การดัด บิด และยืดหลายหมื่นรอบ สามารถใช้งานได้เกิน 30% ของความยาวทั้งหมด โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพอย่างเห็นได้ชัด นอกจากนี้ยังสามารถทนต่อการเสียดสีซ้ำๆ ได้มากกว่า 100.000 ครั้ง ซึ่งถือว่ามากทีเดียวเมื่อพิจารณาถึงแรงเสียดทานและการเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องกับเสื้อผ้าตลอดอายุการใช้งาน

ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือความสามารถของเส้นใยในการ ทนต่อการซักด้วยอุณหภูมิสูงผลการทดสอบบ่งชี้ว่าสามารถทนต่อผงซักฟอกและอุณหภูมิได้สูงถึง 100 องศาเซลเซียสโดยที่วงจรภายในไม่เสื่อมสภาพ ซึ่งส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการห่อหุ้มด้วยพอลิเมอร์ที่ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันความชื้นและสารเคมี

ความทนทานยังเกี่ยวข้องกับความเข้ากันได้ทางความยืดหยุ่นของวัสดุที่ใช้ด้วย โพลิเมอร์พื้นฐานและการจัดเรียงชั้นแบบเกลียวช่วยให้การเสียรูปทางกลกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ป้องกันจุดรวมความเค้นที่อาจทำให้รางแตกหักได้ ความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับการบิดและการยืดที่ซับซ้อน สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมสิ่งทอและผ้าชีวภาพ ซึ่งการเคลื่อนไหวไม่ราบรื่นและไม่สามารถคาดเดาได้

เมื่อนำข้อมูลความแข็งแรงเชิงกลทั้งหมดนี้มารวมกับความเสถียรทางไฟฟ้าแล้ว แสดงให้เห็นว่าเส้นใยเหล่านี้อาจให้ประโยชน์ได้ อายุการใช้งานใกล้เคียงหรือยาวนานกว่าผ้าทั่วไปหลายชนิดสิ่งนี้เปิดโอกาสให้เกิดเสื้อผ้าที่ใช้งานได้จริงและอุปกรณ์อ่อนนุ่มสำหรับใช้ในชีวิตประจำวัน

จากแผ่นวงจรแข็งสู่เส้นใยอัจฉริยะ: การเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในอุปกรณ์สวมใส่

จนกระทั่งถึงตอนนี้ เมื่อเราพูดคุยกันเกี่ยวกับ เสื้อผ้าอัจฉริยะและอุปกรณ์สวมใส่ในกรณีส่วนใหญ่ เราพบว่าผ้าที่ใช้เป็นผ้าธรรมดาที่มีการติดโมดูลแข็งเข้าไป เช่น แผงวงจรพิมพ์ขนาดเล็กที่มีเซ็นเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์ แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ และอาจมีสายไฟที่ทำจากผ้าเพื่อส่งสัญญาณจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้น "ติด" อยู่กับเสื้อผ้า แต่ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างภายในของเสื้อผ้า

เมื่อใช้ชิปใยแก้วนำแสง แนวทางก็จะเปลี่ยนไป: การประมวลผลถูกรวมเข้ากับเธรดโดยตรงเส้นใยแต่ละเส้นสามารถทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ ตัวประมวลผล และองค์ประกอบเอาต์พุต ทำให้เกิดเป็นโครงสร้างที่พื้นผิวทั้งหมดเป็นระบบกระจายของโหนดอัจฉริยะที่ทำงานร่วมกัน

ลองนึกภาพเสื้อกีฬาตัวหนึ่งที่ตะเข็บมีเส้นใยที่สามารถวัดค่าทางชีวภาพ (ชีพจร อุณหภูมิ การหายใจ) ประมวลผลข้อมูลเหล่านั้นในพื้นที่ และตัดสินใจว่าข้อมูลใดมีความเกี่ยวข้องที่จะส่งไปยังอุปกรณ์ภายนอก ซึ่งจะช่วยลดความจำเป็นในการใช้เครื่องมือวัดอื่นๆ ไมโครคอนโทรลเลอร์กลาง และลดความล่าช้าให้น้อยที่สุด เนื่องจากมีการตัดสินใจหลายอย่างเกิดขึ้นภายในเส้นใยแก้วนำแสงเอง

อีกหนึ่งสถานการณ์ที่น่าสนใจมากคือ เสื้อผ้าที่มี ความสามารถในการแสดงข้อมูลเกี่ยวกับเนื้อผ้าแทนที่จะใช้หน้าจอที่ติดอยู่กับตัวเสื้อ แขนเสื้อหรือส่วนอกของเสื้ออาจทำหน้าที่เป็นพื้นผิวแสดงผล โดยควบคุมด้วยเส้นใยที่ผสานรวมอยู่ ซึ่งทำหน้าที่ทั้งประมวลผลและจัดการองค์ประกอบที่เปล่งแสง (LED, ไมโครดิสเพลย์ หรือเทคโนโลยีที่เข้ากันได้ในอนาคต)

แนวทางนี้สอดคล้องกับแนวโน้มในปัจจุบันอย่างสมบูรณ์แบบ การคำนวณแบบยูบิควิทัสแทนที่จะใช้อุปกรณ์ทรงพลังและมองเห็นได้ชัดเจนเพียงไม่กี่ชิ้น แนวโน้มกำลังเปลี่ยนไปสู่การใช้อุปกรณ์ขนาดเล็กจำนวนมากที่ผสานรวมเข้ากับสิ่งของในชีวิตประจำวัน ตั้งแต่เฟอร์นิเจอร์ไปจนถึงเสื้อผ้า เส้นใยที่มีวงจรไฟฟ้าในตัวเป็นหนึ่งในชิ้นส่วนที่ขาดหายไปซึ่งจำเป็นต่อการนำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากตัวเรือนเข้าไปอยู่ในเนื้อวัสดุโครงสร้างโดยตรง

การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์และอินเทอร์เฟซระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์

นอกเหนือจากแฟชั่นและสินค้าเครื่องแต่งกายสำหรับผู้บริโภคแล้ว หนึ่งในด้านที่เส้นใยประเภทนี้มีศักยภาพมากที่สุดคือ... การแพทย์และอินเทอร์เฟซระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์ (BCIs)โดยทั่วไปแล้ว อิเล็กโทรดและอุปกรณ์ฝังในร่างกายในปัจจุบันมักมีความแข็งหรือกึ่งแข็ง ทำให้เกิดความไม่สอดคล้องกันทางกลไกอย่างมากกับเนื้อเยื่ออ่อนของร่างกาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื้อเยื่อสมอง

เมื่อนำส่วนประกอบที่แข็งเข้าไปในสภาพแวดล้อมที่อ่อนนุ่ม จะก่อให้เกิด... การเคลื่อนไหวเล็กน้อยและความตึงเครียด ซึ่งอาจก่อให้เกิดการอักเสบ ความเสียหายต่อเนื้อเยื่อ หรือการปฏิเสธในระยะยาว ในทางกลับกัน เส้นใยที่ทำจากพอลิเมอร์ยืดหยุ่นมีความอ่อนนุ่มคล้ายกับเนื้อเยื่อสมอง ทำให้สามารถผสานเข้ากับเนื้อเยื่อได้โดยไม่รุนแรงมากนัก และปรับตัวเข้ากับการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติของอวัยวะได้ดีกว่า

ข้อได้เปรียบที่สำคัญในที่นี้คือ เส้นใยไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดหรือเซ็นเซอร์แบบพาสซีฟเท่านั้น แต่ยังมีความสามารถในการ... ตรวจจับ ประมวลผล และส่งสัญญาณกลับในวงจรปิดกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ มันสามารถบันทึกกิจกรรมของเซลล์ประสาท กรองและประมวลผลข้อมูลในพื้นที่ และสร้างสิ่งกระตุ้นทางไฟฟ้าหรือการตอบสนองแบบเรียลไทม์ โดยไม่จำเป็นต้องส่งข้อมูลดิบทั้งหมดไปยังหน่วยภายนอก

วิธีการแบบวงปิดนี้มีประโยชน์อย่างมากใน การบำบัดด้วยการปรับเปลี่ยนระบบประสาทและอุปกรณ์เทียมขั้นสูงซึ่งความเร็วและความแม่นยำในการสื่อสารระหว่างสมองและอุปกรณ์มีความสำคัญอย่างยิ่ง การคำนวณบางส่วนภายในเส้นใยแก้วนำแสงช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน และลดปริมาณข้อมูลที่ต้องถ่ายโอน ทำให้การออกแบบระบบโดยรวมง่ายขึ้น

นอกจากนี้ ความยืดหยุ่นและความแข็งแรงของชิปไฟเบอร์ยังช่วยให้สามารถฝังในร่างกายได้ในระยะยาว มีความเสี่ยงต่อการแตกหักน้อยลง และมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพเชิงกลที่ดีกว่า ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่งานวิจัยนี้ได้จุดประกายความสนใจในกลุ่มผู้เชี่ยวชาญเฉพาะด้าน BCI, วิศวกรรมประสาท และอิเล็กทรอนิกส์ชีวการแพทย์โดยพวกเขาใช้เวลาหลายปีในการค้นหา "อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบอ่อนนุ่ม" ที่สามารถสื่อสารด้วยภาษาเชิงกลเดียวกับร่างกายได้

ความจริงเสมือน, ระบบสัมผัสขั้นสูง และการผ่าตัดทางไกล

ในด้านของ ความเป็นจริงเสมือน (VR) และความเป็นจริงเสริม (AR)เส้นใยที่มีวงจรรวมอยู่ภายในเปิดโอกาสใหม่ๆ ที่ก้าวไกลเกินกว่าแค่ถุงมือที่มีเซ็นเซอร์ตรวจจับตำแหน่ง ถุงมือที่ทอด้วยเส้นด้ายชนิดนี้สามารถผสานรวมเซ็นเซอร์ที่มีความหนาแน่นสูง การประมวลผลเฉพาะจุด และแอคทูเอเตอร์สัมผัสแบบกระจายได้

นั่นหมายความว่านิ้วทุกนิ้ว ข้อต่อทุกข้อ และทุกส่วนของมืออาจมีได้ การตรวจวัดแรงดัน ความเครียด และอุณหภูมิสัญญาณจะถูกประมวลผลแบบเรียลไทม์ภายในเส้นใยเอง และแปลงเป็นสัญญาณสัมผัสที่แม่นยำ (การสั่นสะเทือน แรงกด การกระตุ้นสัมผัสเล็กๆ) ความหน่วงจะลดลงเหลือน้อยที่สุด เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้หน่วยประมวลผลกลางขนาดใหญ่สำหรับการคำนวณเล็กๆ แต่ละครั้ง

หากพัฒนาไปอีกขั้น ถุงมือและเสื้อผ้าที่ใช้เทคโนโลยีการสัมผัสซึ่งผลิตจากเส้นใยอัจฉริยะเหล่านี้ สามารถนำไปใช้ใน... การผ่าตัดทางไกลและการให้บริการทางการแพทย์ทางไกลศัลยแพทย์สามารถควบคุมเครื่องมือหุ่นยนต์จากระยะไกลได้ และด้วยการตอบสนองทางสัมผัสที่เกิดจากเส้นใย ทำให้เขาสามารถรับรู้ถึงพื้นผิวและความต้านทานของเนื้อเยื่อและอวัยวะได้ราวกับว่ามันอยู่ใต้ฝ่ามือของตนเอง

ในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม ชุดคลุมหรือถุงมือที่ติดชิปเส้นใยประเภทนี้อาจช่วยได้ ตรวจสอบท่าทาง ปริมาณงานทางกายภาพ และการปฏิสัมพันธ์กับเครื่องจักรอย่างต่อเนื่องตรวจจับรูปแบบที่เป็นอันตรายและแจ้งเตือนคนงานหรือระบบควบคุมก่อนที่จะเกิดอุบัติเหตุ

โอกาสมากมายกำลังเปิดกว้างในโลกแห่งความบันเทิงเช่นกัน ไม่ว่าจะเป็นชุด VR ที่ให้ความรู้สึกสัมผัสสมจริงยิ่งขึ้น ชุดกีฬาที่สามารถจำลองการกระแทก การดึง หรือแรงกระแทกต่างๆ ในเกม หรือ อินเทอร์เฟซท่าทางที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งตีความตำแหน่งของแต่ละนิ้วและความพยายามของกล้ามเนื้อในการควบคุมระบบดิจิทัลที่ซับซ้อน

ความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญ: พลังงาน ความร้อน และการเชื่อมต่อ

ถึงแม้ว่าจะได้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง แต่เทคโนโลยีนี้ยังอยู่ในขั้นทดลองและมีข้อเสียอยู่หลายประการ ความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญ ซึ่งจะต้องได้รับการแก้ไขก่อนที่เราจะได้เห็นผลิตภัณฑ์นี้ในผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่วางจำหน่ายในตลาดวงกว้าง

ประการแรกคือ การจัดการพลังงาน และการระบายความร้อนการรวมการประมวลผลและหน่วยความจำไว้ในปริมาตรที่เล็กมากเช่นนี้ หมายความว่าความร้อนที่เกิดขึ้นสามารถสะสมได้อย่างรวดเร็ว ในชิปทั่วไป จะใช้แผ่นระบายความร้อน สารนำความร้อน และการออกแบบบรรจุภัณฑ์เฉพาะเพื่อดึงความร้อนออกไปด้านนอก แต่ในเส้นใยบางเฉียบนั้น แทบไม่มีพื้นที่ผิวหรือมวลความร้อนเหลืออยู่เลยที่จะช่วยกระจายพลังงานนั้นได้

จำเป็นต้องมีกลยุทธ์ใหม่ๆ เช่น วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูงที่ผสานรวมอยู่ในโครงสร้างเส้นใยเอง การออกแบบที่กระจายบริเวณที่มีกิจกรรมสูงสุดไปตามเส้นด้าย หรือ โปรโตคอลการปฏิบัติงานที่จำกัดปริมาณการใช้พลังงานสูงสุดหากไม่ควบคุมอย่างเหมาะสม จุดที่มีความร้อนสูงอาจสร้างความเสียหายให้กับทั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และผ้าหรือวัสดุใดๆ ที่สัมผัสกับจุดเหล่านั้นได้

ความท้าทายสำคัญอีกประการหนึ่งคือ การเชื่อมต่อกับระบบอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆแม้ว่าเส้นใยแต่ละเส้นจะสามารถทำงานเป็นระบบอิสระได้ แต่ในหลายๆ การใช้งาน จำเป็นต้องสื่อสารผลลัพธ์ไปยังเครือข่ายไร้สาย เช่น 5G และ IoTหน่วยประมวลผลหรือระบบจัดเก็บข้อมูลที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น การรวมเสาอากาศ โมดูลการสื่อสาร หรือตัวเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้เข้ากับสายไฟขนาด 50 ไมโครเมตรนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเลย

นอกจากนี้ ในส่วนของอุตสาหกรรมสิ่งทอ จะต้องแสดงให้เห็นว่ากระบวนการผลิตเส้นใยเหล่านี้สามารถทำได้ ขยายขนาดไปสู่ปริมาณมาก โดยไม่สูญเสียคุณภาพ ทีมงานของฟู่ตั้นกล่าวว่าวิธีการของพวกเขาเข้ากันได้กับเทคนิคการผลิตสิ่งทอที่มีอยู่ แต่การเปลี่ยนจากสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุมไปสู่เครื่องจักรสำหรับการผลิตจำนวนมากนั้นเป็นการก้าวกระโดดที่มักนำมาซึ่งสิ่งที่ไม่คาดคิดเสมอ

สุดท้ายนี้ ความจำเป็นในการทดสอบความน่าเชื่อถืออย่างครอบคลุมภายใต้สภาวะการใช้งานจริงนั้นไม่อาจมองข้ามได้ เช่น การซักอย่างต่อเนื่อง การสัมผัสกับเหงื่อ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแวดล้อม การพับผ้าอย่างรุนแรงเมื่อสวมใส่และถอดเสื้อผ้า... ความแข็งแกร่งที่แสดงให้เห็นจนถึงขณะนี้เป็นสิ่งที่น่ายินดีอย่างยิ่งแต่การทดลองภาคสนามขนาดใหญ่จะช่วยตัดสินว่าเส้นใยเหล่านี้สามารถทนทานต่อการใช้งานในชีวิตประจำวันได้นานหลายปีจริงหรือไม่

บริบท ผลกระทบ และอนาคตของการประมวลผลแบบมัลติเธรด

นำงานโดย เผิง ฮุยเซิง และทีมของเขา งานวิจัยที่มหาวิทยาลัยฟู่ตั้นสอดคล้องกับแนวโน้มที่กว้างขึ้นซึ่งมุ่งเน้นการบูรณาการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เข้ากับสิ่งของรอบตัวเราเกือบทุกอย่าง ตั้งแต่เซ็นเซอร์ที่ถักทอลงในพรมและผ้าม่าน ไปจนถึงวัสดุก่อสร้างที่มีความสามารถในการตรวจสอบ แนวคิดก็คือการลดความแตกต่างระหว่าง "อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์" และ "สิ่งของในชีวิตประจำวัน"

ในขณะเดียวกัน กลุ่มวิจัยอื่นๆ ก็ได้ทดลองใช้เส้นใยเซมิคอนดักเตอร์สำหรับการตรวจจับและการสื่อสารด้วยเช่นกัน ผ้าที่เลียนแบบพฤติกรรมของเครือข่ายประสาทเทียมและด้วยโครงสร้างที่อ่อนนุ่มซึ่งสามารถเรียนรู้จากสิ่งแวดล้อมและปรับตัวได้ ความแปลกใหม่ของวงจรรวมใยแก้วนำแสงความหนาแน่นสูงก็คือ การนำพลังการประมวลผลที่แท้จริงมาสู่แนวคิดนี้ โดยเข้าใกล้สิ่งที่ควรจะเป็นเครือข่ายของไมโครโปรเซสเซอร์ที่กระจายตัวในระดับเธรด

เมื่อเทคโนโลยีเหล่านี้พัฒนาขึ้น ก็เป็นไปได้ที่จะจินตนาการถึงเสื้อผ้าที่นอกเหนือจากการวัดสัญญาณชีพแล้ว เรียนรู้รูปแบบพฤติกรรมของผู้ใช้ปรับให้เข้ากับกิจวัตรประจำวันและตัดสินใจในระดับท้องถิ่น เช่น ปรับการระบายอากาศของแจ็คเก็ตให้เหมาะสมกับกิจกรรม ตรวจจับการล้มที่น่าสงสัย จัดการความเป็นส่วนตัวของข้อมูลที่รวบรวมได้โดยอัตโนมัติ เป็นต้น

นอกจากนี้ยังมีประเด็นด้านจริยธรรมและความเป็นส่วนตัวที่สำคัญอีกด้วย เมื่อเสื้อผ้า เตียง หรือโซฟา กลายเป็นสิ่งของที่ถูกนำไปใช้ในทางที่ผิด อุปกรณ์ที่คำนวณและจัดเก็บข้อมูลจำเป็นต้องกำหนดอย่างระมัดระวังว่าใครจะเป็นผู้ควบคุมข้อมูลนี้ วิธีการปกปิดข้อมูลส่วนบุคคล วิธีการแบ่งปันข้อมูล และหลักประกันใดที่ผู้ใช้จะได้รับว่าข้อมูลจะไม่ถูกนำไปใช้ในทางที่ผิด เช่นเดียวกับอุปกรณ์ฝังในร่างกาย: ศักยภาพทางการแพทย์อันมหาศาลของอุปกรณ์เหล่านี้มาพร้อมกับคำถามเกี่ยวกับความปลอดภัย การเข้าถึงจากระยะไกล และการนำข้อมูลทางระบบประสาทไปใช้ในทางที่ผิด

จากมุมมองทางเทคนิคล้วนๆ ขั้นตอนต่อไปน่าจะมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ในใยแก้วนำแสง และการบูรณาการ หน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนและโมดูลการสื่อสารไร้สาย ภายในเส้นใยนั้นเอง และพัฒนาสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์แบบกระจายที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการรองรับที่เป็นเอกลักษณ์เช่นนี้ การผสมผสาน FIC เหล่านี้เข้ากับอัลกอริธึมปัญญาประดิษฐ์แบบเบาที่ฝังอยู่ภายใน สามารถนำไปสู่เสื้อผ้าและอุปกรณ์ที่ปรับตัวได้เอง โดยมีระดับความเป็นอิสระที่ไม่เคยคิดมาก่อนเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา

แม้ว่ายังต้องใช้เวลาอีกนานกว่าที่ชิปไฟเบอร์ที่บางกว่าเส้นผมเหล่านี้จะวางจำหน่ายในร้านค้าได้ แต่ผลลัพธ์ในปัจจุบันแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าเส้นแบ่งแบบดั้งเดิมระหว่างวงจรไฟฟ้าและวัสดุโครงสร้างกำลังเลือนหายไป และนั่นก็แสดงให้เห็นแล้ว สิ่งของในชีวิตประจำวันของเรากำลังกลายเป็นเครือข่ายของสมองขนาดเล็กที่ถักทอ ขดตัว และซ่อนอยู่ในทุกเส้นใย.