Китайские учёные создали полностью гибкие волоконные чипы со схемами, интегрированные и встроенные в растягиваемые пряди тонкие человеческие волосы, с плотностью, сопоставимой с плотностью центрального процессора домашнего компьютера.(SCMP)
Учёные уже разработали электронику на основе волокон, которая уже обеспечивает функции питания и датчика, а также стимулировала развитие электронных текстилей, разработав интегральные схемы в виде нитей.
Аванс был опубликован в рецензируемом журнале Nature в четверг. Исследование возглавил Пэн Хуишэн, член Китайской академии наук при Фуданьском университете в Шанхае.
Команда разработала новое электронное устройство под названием оптоволоконная интегральная схема (FIC). Вместо изготовления схем на жёстких плоских подложках исследователи строили функциональные схемы на эластичной подложке, которая затем накатывалась в тонкое волокно, напоминающее свиток.
Хотя волокно тонкое, как прядь человеческих волос, она достигает плотности транзистора, соответствуя отраслевым стандартам традиционной очень крупномасштабной интеграции, оставаясь при этом полностью гибким.
По словам Чэнь Пэйнина из Института волоконных материалов и устройств Фудань и автора статьи, при текущей лабораторной точности фотолитографии 1 микрометр 1 мм «волоконный чип» мог интегрировать десятки тысяч транзисторов с возможностью обработки информации, сопоставимой с некоторыми медицинскими имплантатными чипами.
«Расширение волокна до 1 метра может увеличить количество транзисторов до уровня миллиона, приближаясь к масштабу интеграции классических центральных компьютерных процессоров», — сказал Чэнь в отчёте Фуданьского университета.
«В будущем фотолитография в нанометрическом масштабе ещё больше увеличит плотность интеграции.»
Само волокно может функционировать как полноценная микрокомпьютерная система, обеспечивая высокоточное соединение электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы.
Точность фотолитографии достигает самого высокого уровня среди лабораторных фотолитографических аппаратов, согласно отчету.
«FIC могут обрабатывать как цифровые, так и аналоговые сигналы, аналогично коммерческим арифметическим чипам, и выполнять нейронные вычисления с высокой точностью распознавания, что соответствует производительности современных процессоров изображений в памяти», — написала команда.
Исследователи отметили, что FIC демонстрировали исключительную устойчивость и долговечность в суровых условиях, которые громоздкие плоские аналоги испытывали трудности, включая 10 000 циклов многократного изгиба и истирания.
Они добавили, что FIC также могут растянуться до 30 процентов, скручиваясь при 180 градусах на сантиметр, а также выдерживать более 100 промывок, воздействие тепла до 100 градусов Цельсия (212 по Фаренгейту) и даже сжатие под контейнерным грузовиком водоизмещением 15,6 тонны, добавили они.
Основываясь на этой работе, команда стала пионером интеграции функций питания, сенсоров, вычислений и отображения в единый, независимый FIC. Это позволяет будущей умной одежде и устройствам работать без громоздких внешних чипов или проводов.
«Около 10 лет назад у нас появилась идея превращать щепы в мягкие волокна», — сказал Пэн в отчёте Фудань.
«Звучало интересно, поэтому мы начали работать над этим.»
За последнее десятилетие команда создала более 30 классов функциональных оптоволоконных устройств, способных вырабатывать электроэнергию, накапливать энергию, излучать свет, отражать и биосенсорировать, с соответствующими достижениями, опубликованными в журнале Nature по разным случаям.
Теперь команда предварительно достигла масштабируемого производства оптоволоконных чипов в лаборатории, что говорит о существовании инфраструктуры для массового производства.
«Эта полностью гибкая волоконная система прокладывает путь к интерактивным шаблонам, желательным в передовых приложениях, таких как интерфейсы мозг-компьютер, умные текстиль и носимые устройства виртуальной реальности», — написали они в статье.
Для интерфейсов мозг-компьютер исследователи показали, что эта волоконная технология может интегрировать сенсор, обработку и стимуляцию — включая предварительную обработку сигнала на борту — в одну тонкую нить.
Исследователи описали систему как соответствующую биосовместимости и мягкости мозговых тканей, не жертвуя функциональной эффективностью коммерческих альтернатив.
Идея в том, что волокнистые чипы могут превращать обычную одежду в интерактивные экспозиции. Например, навигация могла бы отображаться на рукаве вместо экрана телефона, а спортивная одежда могла показывать данные о здоровье и видео в реальном времени.
В виртуальной реальности умные тактильные перчатки, включающие эти FIC, обеспечивают высокую гибкость и проницаемость, интегрируя плотные датчики и стимуляцию, которые реалистично имитируют ощущения различных объектов. Это может использоваться для восприятия твёрдости тканей в дистанционной хирургии или для интерактивных взаимодействий с виртуальными объектами.
Чжан Тун
Мнение авторов может не совпадать с мнением редакции.
Cообщество журналистов. Non profit
