دانشمندان یک کامپیوتر قدرتمند را درون یک رشته نخ جای دادند!

تصور کنید پیراهنی به تن دارید که حس آن دقیقاً مثل لباس‌های معمولی است، اما می‌تواند اطلاعات لحظه‌ای درباره سلامتی و محیط اطوانیتان به شما بدهد، به‌طور خودکار گرم یا سرد شود و یا حتی سفرهای شما را ردیابی کرده و اطلاعاتی درباره حمل‌ونقل محلی، رستوران‌ها و جاذبه‌های گردشگری در اختیارتان بگذارد. حالا تصور کنید همین الیافی که در آن پیراهن بافته شده، می‌تواند برای درمان بیماری‌های عصبی و هدایت جراحی‌های رباتیک هم به کار رود. این‌ها تنها بخشی از نتایج کاملاً واقعیِ این «نخ محاسباتی» فوق‌باریک جدید هستند.

محققان دانشگاه فودان در شانگهای موفق شده‌اند مدارهای الکترونیکی پیچیده‌ای را در کوچک‌ترین فضای ممکن بسازند: یک فیبر انعطاف‌پذیر که از موی انسان هم نازک‌تر است. آن‌ها نام این دستاورد را «تراشه فیبری» (Fiber Chip) گذاشته‌اند؛ پروژه‌ای که ساخت آن بیش از یک دهه زمان برده است.

این نوع الیاف هوشمند پدیده جدیدی نیستند؛ دانشمندان مدت‌هاست که روی جاسازی این فناوری در منسوجات کار می‌کنند تا ارتباطات دیجیتال را بدون ایجاد مزاحمت ممکن کنند. اما یکی از موانع اصلی، جای دادن قطعات الکترونیکی پیچیده در فضاهای بسیار کوچکی مثل یک رشته نخ پنبه‌ای بوده است. از طرفی، چون تراشه‌های کامپیوتری (صرف‌نظر از اینکه چقدر کوچک ساخته شوند) عموماً تخت و غیرقابل‌انعطاف هستند، با حس و رفتار طبیعی پارچه‌ها سازگاری ندارند.

در این پروژه، دانشمندان از روش سنتی ساختِ لوازم الکترونیکی پوشیدنی (که روی سطح قرار می‌گیرند) فاصله گرفتند و در عوض، مدارها را به شکل لایه‌ای و مارپیچ، درونِ خودِ فیبرِ فوق‌باریک ساختند. با این روش، آن‌ها موفق شدند در هر یک میلی‌متر از این فیبر، ۱۰,۰۰۰ ترانزیستور (سوئیچ‌های الکترونیکی که جریان را در مدار کنترل می‌کنند) جای دهند. برای درک بهتر، این حجم از پردازش معادل چیزی است که در یک دستگاه ضربان‌ساز قلب (Pacemaker) معمولی پیدا می‌شود. اگر طول این رشته باریک را به یک متر برسانید، پتانسیل داشتن میلیون‌ها ترانزیستور را خواهد داشت که قدرت پردازشی معادل یک کامپیوتر رومیزی معمولی ایجاد می‌کند. حالا تصور کنید وقتی این نخ به لباس تبدیل شود، چه کارهایی از آن ساخته است!

علاوه بر این، هر رشته شامل مقاومت‌ها، خازن‌ها و دیودها نیز هست و یک سیستم هیبریدیِ مداربسته کامل را تشکیل می‌دهد که قادر به پردازش هر دو نوع سیگنال دیجیتال و آنالوگ است.

«چن پینینگ»، محقق موسسه مواد و دستگاه‌های فیبری دانشگاه فودان، می‌گوید:

روش ساخت ما با ابزارهای فعلی صنعت تراشه‌سازی کاملاً سازگار است و ما راهی برای تولید انبوه این تراشه‌های فیبری پیدا کرده‌ایم.

فراتر از لباس: کاربرد در پزشکی

این الیاف نه‌تنها انعطاف‌پذیر، بلکه بسیار نازک هستند (حدود ۵۰ میکرومتر، در حالی‌که قطر متوسط موی انسان حدود ۷۰ میکرومتر است). این ویژگی آن‌ها را نه‌تنها برای پوشاک، بلکه برای کاربردهای پزشکی نیز به گزینه‌ای عالی تبدیل می‌کند. همان‌طور که تیم تحقیق در مطالعه خود اشاره کرده، این الیاف مانند بافت مغز منعطف هستند که امکان استفاده از آن‌ها را به‌عنوان ابزارهای عصبیِ «زیست‌سازگار»، به‌ویژه در بخش ایمپلنت‌های هوشمند، فراهم می‌کند.

«پنگ هویشنگ»، سرپرست این تحقیق، به خبرگزاری شینهوا گفت:

بدن انسان از بافت نرم ساخته شده است، بنابراین حوزه‌های نوظهوری مثل رابط‌های مغز و کامپیوتر در آینده، به سیستم‌های الکترونیکی نرم و سازگار نیاز دارند.

این فناوری فیبری که مهندسی آن بیش از ۱۰ سال طول کشیده، می‌تواند برای درمان علائم بیماری پارکینسون، صرع و سکته مغزی استفاده شود و یا با ادغام در ابزارهای پزشکی، به عنوان سنسورهای بسیار دقیق به کار رود.

چن می‌گوید:

دستکش‌های لمسی هوشمندی که با این تراشه‌های فیبری ساخته می‌شوند، هیچ تفاوتی با پارچه‌های معمولی ندارند. آن‌ها می‌توانند حس اشیاء مختلف را درک و شبیه‌سازی کنند؛ قابلیتی که جراحان می‌توانند از آن برای “لمس” میزان سختی بافت‌ها در حین یک جراحی رباتیک از راه دور استفاده کنند.

دوام باورنکردنی

تولید یک نمونه اولیه در آزمایشگاه یک بحث است و مقیاس‌پذیری و دوام آن بحثی دیگر. تیم تحقیق برای اطمینان، این الیاف را تحت آزمایش‌های سختِ دنیای واقعی قرار داد. این فیبرها بیش از ۱۰,۰۰۰ بار خمیدگی و سایش را تحمل کردند، تا ۳۰ درصد کش آمدند، به‌راحتی پیچ خوردند و حتی پس از ۱۰۰ بار شستشو سالم ماندند. آن‌ها همچنین از آزمون‌های حرارتی (۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) و فشار (معادل وزن یک کامیون ۱۵.۶ تنی) سربلند بیرون آمدند.

در حال حاضر، این تیم در حال همکاری با یک بیمارستان است تا از این تراشه فیبری در جراحی‌های قلب و عروق استفاده کند.

چن در پایان گفت:

امیدواریم روزی پارچه‌های الکترونیکی ساخته شده با این تراشه‌ها، اطلاعات را به همان سرعت و کیفیتی که گوشی‌ها و کامپیوترهای امروزی منتقل می‌کنند، تبادل کنند.

این تحقیق در مجله معتبر Nature به چاپ رسیده است.

منبع: Newatlas