想象一下，把一臺能跑模型的計算機穿在身上是一種什麼體驗？它不僅能全天候監測健康狀況和身體活動，還能預測健康風險，這聽起來像是科幻電影中的場景，但麻省理工學院的研究人員已經將其變成現實。
近期，他們開發出一種外觀類似彈性纖維的自主可程式設計計算機，可以即時監測（穿戴者）健康狀態和身體運動，並提醒潛在的健康風險。
據研究人員介紹，這種纖維計算機衣物穿著舒適，穿在身上幾乎沒有不適感，而且它還能機洗。目前，這項研究成果已經發表在 Nature 上。
（來源：Nature）
與傳統的“可穿戴裝置”（通常侷限於身體的單一點位，比如胸部、手腕或手指）不同，這種衣物（纖維計算機）能大面積接觸身體，接近重要器官，為更全面地監測人體生理和健康狀態提供了前所未有的機會。
“我們的身體透過皮膚以熱量、聲音、電勢、生化訊號等形式，每秒向外傳輸數千兆位元組的資料，這些資料蘊含著我們的活動、情緒和健康資訊。遺憾的是，這些資料訊號絕大多數（幾乎是全部）都被衣服吸收並丟失了。因此我們在想，為何不直接利用衣服來捕捉、分析、儲存並傳送這些重要的健康訊號呢。”這篇論文的通訊作者、麻省理工學院材料科學與工程教授 Yoel Fink 解釋說。
這種纖維計算機內建一系列微型裝置，包括感測器、微控制器、藍牙模組、光通訊元件、數字儲存器以及電池等，並將所有必要的部件整合在一根彈性纖維中。
每臺可獨立程式設計的纖維計算機執行著一個機器學習模型，該模型經過訓練並用於自動識別穿戴者的運動，前期實驗顯示平均準確率可達到 70%。研究人員將四根這種纖維計算機分別嵌入到上衣和褲子中，每根纖維沿著四肢延伸。他們透過實驗發現，將各個纖維計算機進行互聯後，它們的整體準確率提升至近 95%。
“在不久的將來，這種可穿在身上的‘光纖計算機’能隨時隨地執行應用程式，不僅可以幫助我們理解並預防健康問題，還將在日常生活中提供健康管理服務。”Fink 表示，“我們很期待在即將到來的一項任務中提前感受這一未來場景，讓‘光纖計算機’在極其惡劣的環境中保護研究人員的安全。”
據研究人員介紹，一個跨國團隊將在北極進行為期一個月的研究任務（Musk Ox II），在平均氣溫零下 40℃ 的環境下行程長達 1,000 公里。他們開發的數十件內建光纖計算機的襯衫將為參與該任務的成員提供即時健康和活動資訊監測。
這篇研究論文的合作者還包括麻省理工學院材料科學與工程研究生 Nikhil Gupta、Henry Cheung；麻省理工學院物理學 Francis Wright 講席教授 John Joannopoulos；斯坦福大學研究生 Syamantak Payra，以及其他來自羅得島設計學院和布朗大學的研究人員。
光纖計算機整合到衣物中
實際上，這種光纖計算機的開發建立在 RLE Fibers@MIT 實驗室十多年的研究成果基礎之上。在此前的研究中，團隊成員展示了將半導體器件、光學二極體、儲存單元、彈性電觸點和感測器整合到可製成織物和衣服纖維中的方法。
“但由於製造方法的限制，我們在提升整合到光纖中的裝置複雜性方面遇到了瓶頸，所以我們不得不重新思考整個設計流程。同時，我們希望它具備彈性和柔韌性，與傳統面料的特性相匹配。”Gupta 表示。
研究人員面臨的挑戰之一，是圓柱形光纖與平面晶片之間的不匹配問題。換句話說，給每個平面微器件外部的小導電區域（焊盤）連線電線難度很大，而且容易出現故障，因為複雜的微器件焊盤眾多，很難找到足夠空間來可靠連線每根導線。
在這項新研究中，他們使用一種名為“中介層”的柔性電路板，將每個微器件的二維焊盤按三維結構佈局對齊對映，然後將其捲成一個圓柱體，他們將這種設計方式稱為“maki”；緊接著，他們在“maki”卷的側面連線四根獨立導線，並將所有元件連線在一起。
“這一進展對於我們來說至關重要，因為這讓我們能將功能更強大的計算元件（比如微控制器和藍牙感測器）整合到光纖中。”Gupta 解釋說。
值得一提的是，這種多功能摺疊技術可以應用於多種微電子裝置，賦予它們更多新的功能。研究人員希望也希望藉助這種技術整合更多微電子器件。
圖｜單根彈性光纖包含一系列微型裝置（來源：MIT News）
除此之外，研究人員用一種新型熱塑性彈性體來製造這種光纖計算機，其柔韌性是之前所用熱塑性塑膠的數倍。這種材料讓他們能製造出可機洗、彈性好的纖維，拉伸超過 60% 也不會損壞。
研究團隊採用 Fibers@MIT 團隊早先開創的“熱拉工藝”來製造光纖計算機。藉助該工藝，他們首先製作光纖計算機的宏觀版本（預製棒），將每個連線好的微裝置都包含其中；接下來，把預製棒掛在高溫爐裡熔化並拉伸，製成的纖維中還嵌入了鋰離子電池，使其能夠自行供電。
“前團隊成員 Juliette Marion 找到了製造彈性導體的方法，即便拉伸纖維，導體也不會斷裂。如此一來，我們在拉伸纖維時仍可保持功能，這一點對於針織等工藝以及普通服裝製作都非常關鍵。”Gupta 表示。
透過這種方法，研究人員不僅解決了複雜裝置整合的問題，還提高了光纖的柔韌性和耐用性，使其更適合日常穿著的應用場景。
光纖計算機制造完成後，研究人員使用編織技術將其覆蓋在傳統紗線中，比如聚酯纖維、羊毛、尼龍，甚至是絲綢等。
圖｜用傳統紗線覆蓋光纖計算機，使其易於整合到織物和紡織品中（來源：MIT News）
除了用感測器收集人體資料之外，每臺光纖計算機還集成了 LED 和光感測器，讓一件衣服中的多根光纖可以相互通訊，形成一個可執行計算的紡織網路。
同時，每臺光纖計算機配備藍牙通訊系統，可將資料無線傳輸到智慧手機等裝置上以方便穿戴者檢視。
研究人員利用這些通訊系統，透過將四根光纖計算機縫入一件衣物中（每個袖子一根）來建立一個紡織網路，每根光纖都執行獨立的神經網路，經過訓練識別深蹲、平板支撐、手臂環繞和弓步等一系列動作。
圖｜一臺正在執行的光纖計算機（來源：MIT News）
“我們發現，當光纖計算機位於單個肢體（手臂或腿）上時，其識別人體活動的準確率只有大約 70%。但當位於四個肢體上的光纖協同運作時，整體準確率達到近 95%。這表明了在多個身體區域部署光纖計算機並形成（無需電線連線的）網路的重要性。”Fink 指出。
在北極進行實地試驗
今年 2 月，一支由多國成員組成的團隊將踏上一段非凡的旅程：在北極進行為期 30 天、行程長達 1,000 公里的探險。
這支隊伍配備了麻省理工學院開發的這種新型“計算織物”，不僅有助於保障隊員的人身安全，還將為未來的生理“數字孿生”模型的開發打下基礎。
Musk Ox II 專案指揮官、美國陸軍少校 Mathew Hefner 表示，“作為一名擁有十多年北極行動經驗的領導者，我最關心的問題之一就是如何保護團隊免受寒冷天氣帶來的傷害，畢竟，這是極端寒冷環境下操作人員面臨的主要威脅。”
圖｜“Musk Ox II”北極任務隊員身著這種計算織物，可以即時提供有關其健康和活動的資訊（來源：MIT News）
“傳統系統無法提供完整的狀況圖景。此次，我們會全天候穿著這種‘計算織物’，以幫助我們更好地理解身體對極端寒冷的反應，預測和預防受傷。” 他進一步解釋道。
麻省理工學院開發的這種可程式設計計算織物技術，被美國陸軍環境醫學研究所高階研究科學家 Karl Friedl 譽為“日常生活的變革性技術”。
“想象一下，在不久的將來，織物和服裝中的光纖計算機能夠感知並響應環境和個人生理狀態，提升舒適度和活動表現，即時健康監測，還能抵禦外部威脅。除此之外，透過與使用預測生理模型和任務相關工具的 AI 整合，可進一步提高在惡劣環境中的生存能力。”Friedl 表示。
目前，這項技術不僅僅停留在實驗室裡，它已經在實際應用中展示了其潛力，正如 Fink 所說的那樣，傳統纖維織物與計算和機器學習的融合才剛剛起步。
“我們不僅透過研究和實地測試來探索這一令人興奮的未來，還在麻省理工學院材料科學與工程系‘計算織物’的課程中進行了深入探討。這門課由羅得島設計學院的 Anais Missakian 教授共同授課，旨在激發下一代創新者對這一領域的研究興趣。”他說道。
參考連結：
https://news.mit.edu/2025/fiber-computer-allows-apparel-to-run-apps-and-understand-wearer-0226