コンピュータは繊維の中に詰め込まれています。 Fudanチームが超薄型「ファイバーチップ」をリリース

普段着のようなシャツを着ていると、自分の健康状態や周囲の環境に関するリアルタイムのデータを取得できると考えてください。衣服は自動的に加熱または冷却することもでき、旅行中に地元の交通機関、レストラン、観光スポットの情報をプッシュすることもできます。さらに一歩進んで、同じファイバーを神経疾患の治療に使用したり、遠隔手術中に医師に触覚フィードバックを提供したりすることが可能になり、それが現実になりつつあります。

中国・上海の復旦大学の研究チームはこのほど、人間の髪の毛より細い柔軟なファイバーの中に複雑な電子回路を構築し、「ファイバーチップ」と呼ばれる超微細なコンピューティングスレッドを作成したと発表した。関連する結果は Nature 誌に掲載されました。同チームによると、この技術は、ウェアラブルデバイス、スマートテキスタイル、新世代のブレインコンピューターインターフェース向けに量産可能な、真に柔軟なコンピューティングおよびセンシングプラットフォームを提供することを目的として、10年以上にわたって開発されてきたという。

スマートファイバーが登場するのはこれが初めてではない。科学研究コミュニティは、より目に見えずより自然な人間とコンピューターの相互作用を実現するために、導電機能と感知機能を布地に埋め込むことに長年取り組んできました。しかし、綿糸ほどの小さなスペースに複雑な電子部品をどのように詰め込むかが、常に技術的なボトルネックの 1 つでした。同時に、従来のチップのサイズは縮小し続けていますが、平らで硬い構造と柔らかい生地の間には自然な矛盾があり、真に「布のように」曲げたりねじったりすることが困難になります。

この限界を突破するために、復丹チームは繊維の表面に電子部品を「貼り付ける」という発想を放棄し、代わりに積層構造や螺旋巻き構造を利用して超極細繊維の中に三次元回路を構築した。このアーキテクチャの下で、研究者らは約 10,000 個のトランジスタを長さわずか 1 mm のファイバーに統合し、ペースメーカーチップとほぼ同等の処理能力を実現しました。研究チームは、このファイバーを1メートル（約3.3フィート）まで延長すれば、数百万個のトランジスタを収容できると予想されると指摘した。全体的なコンピューティング能力は典型的なデスクトップコンピューターに匹敵する可能性があり、これらの「コンピューティングユニット」は依然としてスレッドの形で存在し、衣服に織り込むことができます。

それだけでなく、各ファイバーは抵抗器、コンデンサー、ダイオードなどのコンポーネントとも統合されており、デジタル信号とアナログ信号を同時に処理できる閉ループハイブリッドシステムを形成し、コンピューティングだけでなく、信号の取得と調整も行うことができます。これは、将来のスマートテキスタイルでは、かさばる外部モジュールに依存するのではなく、「単一ライン」レベルでデータ収集、前処理、送信を完了することが期待されることを意味します。

報告によると、このファイバーチップの直径は約50ミクロンであるのに対し、通常の人間の髪の毛の直径は約70ミクロンであり、視覚や触感の点で従来の繊維繊維に近いとのこと。その非常に柔らかい機械的特性は、衣類の製造に適しているだけでなく、脳組織などの軟組織の機械的特性と同等であるため、神経医学分野での移植用途の可能性が開かれています。研究チームは論文の中で、この材料は柔らかさと生体適合性において優れた性能を持ち、インテリジェントな神経インプラントやその他のソフト医療機器のプラットフォーム材料となることが期待されていると指摘した。

「人体は主に軟組織で構成されているため、将来の脳とコンピューターのインターフェースなどの新興分野では、ソフトで準拠性の高い電子システムが緊急に必要とされています。」復丹大学の研究者であり、この研究のリーダーの一人である彭恵生氏は新華社通信のインタビューで語った。報道によれば、この技術は将来、パーキンソン病、てんかん、脳卒中などの症状の緩和や、精密機器に組み込まれて高感度のセンシング素子としての利用が期待されています。

ウェアラブル用途に関しては、研究チームはファイバーチップを使用して「スマート触覚グローブ」を作成しました。復旦大学繊維材料デバイス研究所のチェン・ペイニン氏は、このタイプの手袋は見た目や感触は通常の布地と同じだが、異なる物体の感触を感知してシミュレートできると述べた。遠隔ロボット手術のシナリオでは、このような手袋を着用した医師は組織の硬さの違いを「感じる」ことが期待され、それによって遠隔手術中により直観的な触覚フィードバックを得ることができます。

科学研究チームはまた、実験室のプロトタイプが実際の応用に向けて進むには、大規模製造と耐久性の問題も解決する必要があると強調した。このため、既存のチップ産業と親和性の高いプロセス技術を採用し、ファイバーチップの量産化を実現したとしている。日常使用をシミュレートしたテストでは、繊維は 10,000 回を超える曲げと摩擦のサイクルに耐え、機能を維持しました。引張試験では、繊維は約 30% の伸びに耐え、簡単にねじれる可能性がありました。さらに、100回の水洗いや、約100℃、15.6トントラックバラスト相当の耐圧試験にも耐えています。

現在、研究チームは病院と協力してファイバーチップ技術を心臓血管外科に応用し、カテーテル、ステント、または手術補助手段への応用の可能性を模索している。「私たちは、いつか『ファイバーチップ』をベースにした電子ファブリックが、今日の携帯電話やコンピューターと同じくらい効率的に情報を交換できるようになることを願っています」とChen Peining氏は語った。