Китайские исследователи сделали шаг к электронике, которую можно буквально носить как одежду. Учёные разработали полностью гибкие «волоконные чипы» — электронные схемы, встроенные прямо в нити толщиной с человеческий волос. Такая технология приближает электронный текстиль к уровню настоящих компьютеров и дисплеев, при этом сохраняя мягкость, эластичность и устойчивость к стирке.
О прорыве сообщает South China Morning Post. Разработка принадлежит команде Фуданьского университета в Шанхае под руководством Пэн Хуишэна, исследователя Китайской академии наук. Более десяти лет группа переосмысливала саму идею того, как электронные схемы могут существовать вне привычных жёстких кремниевых пластин.
Когда схема становится тканью
В традиционной электронике микросхемы изготавливают на плоских, жёстких подложках. Даже «умная одежда» обычно лишь несёт на себе прикреплённые чипы и провода. Команда Фуданя пошла другим путём: они создали вычислительные системы, которые сами по себе являются тканью.
Вместо плоских подложек исследователи использовали эластичные материалы, способные нести полноценные электронные схемы. Эти подложки затем «сворачивали» в нитевидные волокна — так появились волоконные интегральные схемы (fiber integrated circuits, FIC).
Каждое такое волокно по толщине сопоставимо с человеческим волосом, но по начинке — далеко не примитивно. Плотность транзисторов достигает 100 тысяч на сантиметр, что соответствует отраслевым стандартам сверхбольшой интеграции, применяемым в классических процессорах.
Даже при текущих лабораторных ограничениях фотолитографии волоконные чипы способны выполнять реальные вычислительные задачи. Нить длиной всего 1 миллиметр может содержать десятки тысяч транзисторов — по вычислительной мощности это сопоставимо с некоторыми чипами для медицинских имплантов. А если увеличить длину волокна до метра, число транзисторов вырастает до миллионов, приближаясь к уровню центральных процессоров обычных компьютеров. Будущие достижения в нанометровой фотолитографии могут поднять эту планку ещё выше.
Полноценный микрокомпьютер в одной нити
В отличие от ранних работ в области волоконной электроники, где речь шла в основном о питании или простых сенсорах, новые волокна функционируют как законченные микрокомпьютерные системы.
Каждая нить объединяет резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы, соединённые с высокой точностью. Система обрабатывает как цифровые, так и аналоговые сигналы, а также поддерживает нейроподобные вычисления — например, для задач распознавания изображений. По эффективности такие волоконные схемы сопоставимы с современными процессорами обработки изображений с вычислениями «в памяти».
Созданы для реальной носки
Отдельного внимания заслуживает надёжность. То, что гибкая электроника часто не переживает реальную эксплуатацию, здесь постарались учесть заранее.
В испытаниях волоконные чипы выдержали более 10 тысяч циклов изгибов и истирания, растягивались до 30% и скручивались на 180 градусов на сантиметр длины. Они сохранили работоспособность после более чем 100 циклов стирки, переносили температуры до 100 °C и даже выживали под нагрузкой — их сжимали под 15,6-тонным контейнерным грузовиком.
Такая прочность позволила объединить в одном независимом волокне питание, сенсоры, вычисления и даже функции отображения информации. Это устраняет необходимость в громоздких внешних чипах и проводке в «умной» одежде.
За последнее десятилетие команда разработала более 30 типов функциональных волокон: для хранения энергии, её генерации, излучения света, отображения информации и биосенсинга. Теперь исследователи показали и первые шаги к масштабируемому производству волоконных чипов в лабораторных условиях — а значит, существующая промышленная инфраструктура потенциально готова к их массовому выпуску.
«Эта полностью гибкая волоконная система прокладывает путь к интерактивным структурам, востребованным в передовых приложениях — от интерфейсов мозг–компьютер до умного текстиля и носимых VR-устройств», — отмечают авторы работы.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
