Κινέζοι επιστήμονες έχουν φέρει επανάσταση στον χώρο της ηλεκτρονικής, δημιουργώντας πλήρως εύκαμπτα “τσιπ-νήματα” με ενσωματωμένα κυκλώματα, τα οποία μπορούν να ενσωματωθούν σε τεντώσιμες κλωστές, λεπτές όσο η ανθρώπινη τρίχα. Η πυκνότητα των κυκλωμάτων αυτών αγγίζει αυτήν των κεντρικών επεξεργαστών ενός οικιακού υπολογιστή, σηματοδοτώντας ένα τεράστιο βήμα στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών υφασμάτων.
Αυτές οι καινοτόμες κλωστές δεν προσφέρουν μόνο λειτουργίες τροφοδοσίας και ανίχνευσης, αλλά μπορούν πλέον να επεξεργάζονται πληροφορίες όπως τα παραδοσιακά τσιπ ή να εμφανίζουν δεδομένα όπως τα τρανζίστορ. Με άλλα λόγια, ρούχα που πλένονται στο πλυντήριο θα μπορούσαν στο μέλλον να λειτουργούν σαν υπολογιστές ή τηλεοράσεις. Η σχετική έρευνα δημοσιεύτηκε στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Nature, με επικεφαλής τον Peng Huisheng, μέλος της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών στο Πανεπιστήμιο Fudan της Σαγκάης.
Η ομάδα ανέπτυξε μια πρωτότυπη ηλεκτρονική συσκευή, ονομαζόμενη “ίνες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων” (FIC – Fibre Integrated Circuit). Αντί να κατασκευάζουν τα κυκλώματα σε άκαμπτες, επίπεδες επιφάνειες, οι ερευνητές τα ενσωμάτωσαν σε ένα ελαστικό υπόστρωμα, το οποίο στη συνέχεια τυλίχθηκε σε μια λεπτή ίνα, παρόμοια με ένα ρολό. Παρά το πάχος τους, που είναι συγκρίσιμο με αυτό μιας ανθρώπινης τρίχας, αυτές οι ίνες επιτυγχάνουν πυκνότητα τρανζίστορ 100.000 ανά τετραγωνικό εκατοστό, κάτι που αντιστοιχεί στα βιομηχανικά πρότυπα της πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI) των συμβατικών τσιπ, διατηρώντας παράλληλα την πλήρη ευελιξία τους.
Σύμφωνα με τον Chen Peining, από το Ινστιτούτο Υλικών και Συσκευών Ίνας του Πανεπιστημίου Fudan και συνεργάτη συγγραφέα της μελέτης, με την τρέχουσα εργαστηριακή ακρίβεια φωτολιθογραφίας του 1 μικρομέτρου, ένα “τσιπ-ίνα” μήκους 1 χιλιοστού θα μπορούσε να φιλοξενήσει δεκάδες χιλιάδες τρανζίστορ, με ικανότητα επεξεργασίας πληροφοριών συγκρίσιμη με αυτήν ορισμένων ιατρικών εμφυτευμάτων. “Αν επεκτείνουμε την ίνα σε 1 μέτρο, ο αριθμός των τρανζίστορ θα μπορούσε να φτάσει το ένα εκατομμύριο, πλησιάζοντας την κλίμακα ολοκλήρωσης των κλασικών κεντρικών επεξεργαστών υπολογιστών”, δήλωσε ο Chen. “Η χρήση φωτολιθογραφίας νανομέτρων στο μέλλον θα αυξήσει περαιτέρω την πυκνότητα ολοκλήρωσης”.
Η ίδια η ίνα μπορεί να λειτουργήσει ως ένα πλήρες μικροϋπολογιστικό σύστημα, επιτυγχάνοντας υψηλής ακρίβειας διασύνδεση ηλεκτρονικών εξαρτημάτων όπως αντιστάσεις, πυκνωτές, διόδους και τρανζίστορ. Η ακρίβεια φωτολιθογραφίας φτάνει στο υψηλότερο επίπεδο των εργαστηριακών μηχανημάτων, σύμφωνα με την έκθεση. “Τα FICs μπορούν να επεξεργαστούν τόσο ψηφιακά όσο και αναλογικά σήματα, παρόμοια με τα εμπορικά αριθμητικά τσιπ, και να πραγματοποιήσουν νευρωνικούς υπολογισμούς με υψηλή ακρίβεια αναγνώρισης, ανταγωνιζόμενα την απόδοση των σύγχρονων επεξεργαστών εικόνας εντός μνήμης”, έγραψε η ομάδα.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα FICs επέδειξαν εξαιρετική σταθερότητα και αντοχή σε δύσκολες συνθήκες, όπου τα ογκώδη, επίπεδα αντίστοιχα δυσκολεύονται να ανταπεξέλθουν. Αυτές περιλαμβάνουν 10.000 κύκλους επαναλαμβανόμενης κάμψης και τριβής. Τα FICs μπορούν επίσης να τεντωθούν έως και 30%, να στρίψουν κατά 180 μοίρες ανά εκατοστό, να αντέξουν πάνω από 100 πλύσεις, να εκτεθούν σε θερμοκρασίες έως 100 βαθμούς Κελσίου (212 Φαρενάιτ) ακόμη και να συμπιεστούν από ένα φορτηγό 15,6 τόνων.
Βασιζόμενοι σε αυτή την εργασία, η ομάδα πρωτοπορεί στην ενσωμάτωση λειτουργιών τροφοδοσίας, ανίχνευσης, υπολογισμού και εμφάνισης σε ένα ενιαίο, ανεξάρτητο FIC. Αυτό επιτρέπει στα μελλοντικά έξυπνα ρούχα και συσκευές να λειτουργούν χωρίς ογκώδη εξωτερικά τσιπ ή καλώδια. “Περίπου 10 χρόνια πριν, είχαμε αυτή την ιδέα να μετατρέψουμε τα τσιπ σε μαλακές ίνες”, δήλωσε ο Peng. “Φαινόταν ενδιαφέρον, οπότε αρχίσαμε να δουλεύουμε πάνω σε αυτό.”
Κατά την τελευταία δεκαετία, η ομάδα έχει δημιουργήσει πάνω από 30 κατηγορίες λειτουργικών συσκευών ινών ικανών για παραγωγή ενέργειας, αποθήκευση ενέργειας, εκπομπή φωτός, εμφάνιση και βιοανίχνευση, με σχετικές δημοσιεύσεις στο Nature κατά καιρούς. Τώρα, η ομάδα έχει επιτύχει προκαταρκτικά την κλιμακωτή κατασκευή ινών-τσιπ στο εργαστήριο, υποδεικνύοντας ότι υπάρχει η υποδομή για μαζική παραγωγή.
“Αυτό το πλήρως εύκαμπτο σύστημα ινών ανοίγει τον δρόμο για τα διαδραστικά μοτίβα που επιθυμούμε σε εφαρμογές αιχμής, όπως διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή, έξυπνα υφάσματα και φορετές συσκευές εικονικής πραγματικότητας”, έγραψαν στην εφημερίδα. Για τις διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή, οι ερευνητές έδειξαν ότι αυτή η τεχνολογία ινών θα μπορούσε να ενσωματώσει αίσθηση, επεξεργασία και διέγερση – συμπεριλαμβανομένης της προεπεξεργασίας σήματος επί του σκάφους – σε μια ενιαία, λεπτή ως τρίχα κλωστή. Οι ερευνητές περιέγραψαν το σύστημα ως αντίστοιχο με τη βιοσυμβατότητα και την απαλότητα του εγκεφαλικού ιστού, χωρίς να θυσιάζεται η λειτουργική αποτελεσματικότητα των εμπορικών εναλλακτικών.
Η ιδέα είναι ότι τα τσιπ-ίνες θα μπορούσαν να μετατρέψουν τα συνηθισμένα ρούχα σε διαδραστικές οθόνες. Για παράδειγμα, η πλοήγηση θα μπορούσε να εμφανίζεται σε ένα μανίκι αντί για την οθόνη ενός τηλεφώνου, ή αθλητικά ρούχα θα μπορούσαν να προβάλλουν δεδομένα υγείας σε πραγματικό χρόνο και βίντεο. Στην εικονική πραγματικότητα, τα έξυπνα γάντια αφής που ενσωματώνουν αυτά τα FICs προσφέρουν υψηλή ευελιξία και διαπνοή, ενσωματώνοντας πυκνά συστήματα ανίχνευσης και διέγερσης που μπορούν να μιμηθούν ρεαλιστικά την αίσθηση διαφόρων αντικειμένων. Αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αντίληψη της σκληρότητας των ιστών σε απομακρυσμένες χειρουργικές επεμβάσεις ή για διαδραστικές εμπειρίες με εικονικά αντικείμενα.
