Los investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT) han desarrollado un ordenador programable autónomo en forma de fibra elástica que podría controlar el estado de salud y la actividad física, alertando al usuario de posibles riesgos para la salud en tiempo real.
La ropa que contiene el ordenador de fibra es cómoda, se puede lavar a máquina, y las fibras son casi imperceptibles para el usuario, informan los investigadores.
A diferencia de los sistemas de monitoreo corporal conocidos como “wearables”, que se ubican en un solo punto como el pecho, la muñeca o el dedo, las telas y la ropa tienen la ventaja de estar en contacto con grandes áreas del cuerpo cerca de los órganos vitales.
Como tal, presentan una oportunidad única para medir y comprender la fisiología y la salud humanas.
La computadora de fibra contiene una serie de microdispositivos, entre ellos sensores, un microcontrolador, una memoria digital, módulos bluetooth, comunicaciones ópticas y una batería, conformando todos los componentes necesarios de una computadora en una sola fibra elástica.
Los investigadores añadieron cuatro ordenadores de fibra a una camiseta y a un par de mallas, con fibras que recorrían cada extremidad.
En sus experimentos, cada ordenador de fibra programable de forma independiente operaba un modelo de aprendizaje automático que fue entrenado para reconocer de forma autónoma los ejercicios realizados por el usuario, lo que dio como resultado una precisión media de alrededor del 70 por ciento.
Una vez que los investigadores permitieron que las computadoras de fibra individuales se comunicaran entre sí, su precisión colectiva aumentó a casi el 95 por ciento.
“Nuestros cuerpos transmiten gigabytes de datos a través de la piel cada segundo en forma de calor, sonido, sustancias bioquímicas, potenciales eléctricos y luz, todos los cuales llevan información sobre nuestras actividades, emociones y salud.
La mayor parte ,si no toda, de esa información se absorbe y luego se pierde en la ropa que usamos.
“Es muy importante poder enseñar a la ropa capturar, analizar, almacenar y comunicar esta importante información en forma de información valiosa sobre la salud y la actividad”, dice Yoel Fink.
Fink, es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) y el Instituto de Nanotecnologías para Soldados (ISN), y autor principal de un artículo sobre la investigación, publicado en la revista Nature .
El uso de la computadora de fibra para comprender las condiciones de salud y ayudar a prevenir lesiones pronto también se someterá a una importante prueba en el mundo real.
Junto a él en el artículo están los coautores principales Nikhil Gupta, estudiante de posgrado en ciencias e ingeniería de materiales del MIT; Henry Cheung MEng ’23; y Syamantak Payra ’22, actualmente estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford; John Joannopoulos, profesor de Física Francis Wright en el MIT y director del Instituto de Nanotecnologías para Soldados; así como otros del MIT, la Escuela de Diseño de Rhode Island y la Universidad de Brown.
Enfoque en la fibra
La computadora de fibra se basa en más de una década de trabajo en el laboratorio Fibers@MIT en el RLE y fue financiada principalmente por ISN.
Uno de los desafíos que los investigadores superaron fue el desajuste geométrico entre una fibra cilíndrica y un chip plano.
Conectar cables a pequeñas áreas conductoras, conocidas como almohadillas, en el exterior de cada microdispositivo plano resultó ser difícil y propenso a fallas porque los microdispositivos complejos tienen muchas almohadillas, lo que hace cada vez más difícil encontrar espacio para conectar cada cable de manera confiable.
En este nuevo diseño, los investigadores mapean la alineación de las almohadillas 2D de cada microdispositivo a un diseño 3D utilizando una placa de circuito flexible llamada intercalador, que envolvieron en un cilindro.
A esto lo llaman el diseño «maki». Luego, conectan cuatro cables separados a los lados del rollo «maki» y conectan todos los componentes entre sí
Además, los investigadores fabricaron el nuevo ordenador de fibra utilizando un tipo de elastómero termoplástico que es varias veces más flexible que los termoplásticos que utilizaban anteriormente.
Este material les permitió formar una fibra elástica lavable a máquina que puede estirarse más del 60 por ciento sin fallar.
Fabrican la computadora de fibra mediante un proceso de estirado térmico que el grupo Fibers@MIT inició a principios de los años 2000.
El proceso implica crear una versión macroscópica de la computadora de fibra, llamada preforma, que contiene cada microdispositivo conectado.
Esta preforma se cuelga en un horno, se funde y se tira hacia abajo para formar una fibra, que también contiene baterías de iones de litio integradas para poder alimentarse a sí misma.
“Una exmiembro del grupo, Juliette Marion, descubrió cómo crear conductores elásticos, de modo que incluso cuando se estira la fibra, los conductores no se rompen.
Podemos mantener la funcionalidad mientras la estiramos, lo cual es crucial para procesos como el tejido, pero también para la ropa en general”, dice Gupta.
Conectividad
Una vez fabricada la computadora de fibra, los investigadores utilizan una técnica de trenzado para cubrir la fibra con hilos tradicionales, como poliéster, lana merino, nailon e incluso seda.
Además de recopilar datos sobre el cuerpo humano mediante sensores, cada computadora de fibra incorpora LED y sensores de luz que permiten que varias fibras de una prenda se comuniquen, creando una red textil que puede realizar cálculos.
Cada computadora de fibra también incluye un sistema de comunicación Bluetooth para enviar datos de forma inalámbrica a un dispositivo como un teléfono inteligente, que puede ser leído por un usuario.
Los investigadores aprovecharon estos sistemas de comunicación para crear una red textil cosiendo cuatro computadoras de fibra en una prenda, una en cada manga.
Cada fibra ejecutaba una red neuronal independiente que fue entrenada para identificar ejercicios como sentadillas, planchas, círculos con los brazos y estocadas.
Perspectivas sobre el Ártico
Los miembros del servicio del Ejército y la Marina de los EE. UU. llevarán a cabo una misión de investigación invernal de un mes de duración en el Ártico, recorriendo 1.000 kilómetros a temperaturas medias de -40 grados Fahrenheit.
Docenas de camisetas de malla merino con computadoras de fibra proporcionarán información en tiempo real sobre la salud y la actividad de las personas que participan en esta misión, llamada Musk Ox II.
“Como líder con más de una década de experiencia operativa en el Ártico, una de mis principales preocupaciones es cómo mantener a mi equipo a salvo de las lesiones debilitantes causadas por el frío, una de las principales amenazas para los operadores en condiciones de frío extremo”, afirma el mayor del ejército estadounidense Mathew Hefner, comandante del Musk Ox II.
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Instituto de Nanotecnología para Soldados (ISN) de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Beca de la Fundación Fannie y John Hertz, la Beca de la Fundación Paul y Daisy Soros para Nuevos Estadounidenses, el Programa de Becas Stanford-Knight Hennessy y la Fundación de Becas para Astronautas.
