Dans un premier temps, la fibre numérique contient de la mémoire, des capteurs de température et un programme de réseau neuronal entraîné pour déduire l’activité physique.
Des chercheurs du MIT ont créé la première fibre dotée de capacités numériques, capable de détecter, stocker, analyser et déduire une activité après avoir été cousue dans une chemise.
Yoel Fink, professeur dans les départements de science et ingénierie des matériaux et de génie électrique et informatique, chercheur principal du Laboratoire de recherche en électronique et auteur principal de l’étude, affirme que les fibres numériques élargissent les possibilités pour les tissus de découvrir le contexte, des modèles cachés dans le corps humain qui pourraient être utilisés pour la surveillance des performances physiques, l’inférence médicale et la détection précoce des maladies.
Ou, vous pourriez un jour stocker votre musique de mariage dans la robe que vous portiez le grand jour – plus à ce sujet plus tard.
Yoel Fink et ses collègues décrivent les caractéristiques de la fibre numérique aujourd’hui dans Nature Communications. Jusqu’à présent, les fibres électroniques étaient analogiques – transportant un signal électrique continu – plutôt que numérique, où des bits d’information discrets peuvent être codés et traités en 0 et en 1.
«Ce travail présente la première réalisation d’un tissu avec la capacité de stocker et de traiter des données numériquement, ajoutant une nouvelle dimension de contenu d’information aux textiles et permettant de programmer littéralement les tissus», explique Yoel Fink.
Le doctorant du MIT Gabriel Loke et le postdoctorant du MIT Tural Khudiyev sont les auteurs principaux de l’article. Autres co-auteurs MIT postdoc Wei Yan; les étudiants de premier cycle du MIT Brian Wang, Stephanie Fu, Ioannis Chatziveroglou, Syamantak Payra, Yorai Shaoul, Johnny Fung et Itamar Chinn; John Joannopoulos, professeur de physique à la chaire Francis Wright Davis et directeur de l’Institute for Soldier Nanotechnologies du MIT ; Pin-Wen Chou, étudiante à la maîtrise à l’Université des sciences et technologies de Harrisburg; et la professeure agrégée de la Rhode Island School of Design, Anna Gitelson-Kahn. Le travail sur les tissus a été facilité par le professeur Anais Missakian, titulaire de la chaire Pevaroff-Cohn Family Endowed in Textiles au RISD.
Mémoire et plus
La nouvelle fibre a été créée en plaçant des centaines de puces numériques micrométriques carrées en silicium dans une préforme qui a ensuite été utilisée pour créer une fibre polymère. En contrôlant précisément le flux de polymère, les chercheurs ont pu créer une fibre avec une connexion électrique continue entre les puces sur une longueur de plusieurs dizaines de mètres.
La fibre elle-même est fine et flexible et peut être passée à travers une aiguille, cousue dans des tissus et lavée au moins 10 fois sans se décomposer. Selon Gabriel Loke, « Quand vous le mettez dans une chemise, vous ne le sentez pas du tout. Vous ne sauriez pas qu’il était là.
La fabrication d’une fibre numérique « ouvre différents domaines d’opportunités et résout en fait certains des problèmes des fibres fonctionnelles », dit-il.
Par exemple, il offre un moyen de contrôler les éléments individuels dans une fibre, à partir d’un point à l’extrémité de la fibre. « Vous pouvez considérer notre fibre comme un couloir, et les éléments sont comme des pièces, et ils ont chacun leur propre numéro de pièce numérique unique », explique Gabriel Loke. L’équipe de recherche a conçu une méthode d’adressage numérique qui leur permet d’« activer » la fonctionnalité d’un élément sans activer tous les éléments.
Une fibre numérique peut également stocker beaucoup d’informations en mémoire. Les chercheurs ont pu écrire, stocker et lire des informations sur la fibre, y compris un fichier de court métrage en couleur de 767 kilobits et un fichier de musique de 0,48 mégaoctet. Les fichiers peuvent être stockés pendant deux mois sans alimentation.
Lorsqu’ils imaginaient des «idées folles» pour la fibre, assure Gabriel Loke, ils ont pensé à des applications comme une robe de mariée qui stockerait de la musique de mariage numérique dans le tissage de son tissu, ou même à écrire l’histoire de la création de la fibre dans ses composants.
Yoel Fink note que la recherche au MIT était en étroite collaboration avec le département textile du RISD dirigé par Missakian. Gitelson-Kahn a incorporé les fibres numériques dans un manchon de vêtement tricoté, ouvrant ainsi la voie à la création du premier vêtement numérique.
Intelligence artificielle corporelle
La fibre fait également quelques pas en avant dans l’intelligence artificielle en intégrant, au sein de la mémoire fibre, un réseau de neurones de 1 650 connexions. Après l’avoir cousue autour de l’aisselle d’une chemise, les chercheurs ont utilisé la fibre pour collecter 270 minutes de données de température corporelle à la surface d’une personne portant la chemise, et analyser comment ces données correspondaient à différentes activités physiques. Formée sur ces données, la fibre a pu déterminer avec une précision de 96 % à quelle activité la personne qui la portait était engagée.
L’ajout d’un composant d’IA à la fibre augmente encore ses possibilités, selon les chercheurs. Les tissus avec des composants numériques peuvent collecter de nombreuses informations sur tout le corps au fil du temps, et ces « données abondantes » sont parfaites pour les algorithmes d’apprentissage automatique, explique Gabriel Loke.
« Ce type de tissu pourrait fournir des données open source de quantité et de qualité pour extraire de nouveaux modèles corporels que nous ne connaissions pas auparavant », dit-il.
Avec ce pouvoir analytique, les fibres pourraient un jour détecter et alerter les gens en temps réel des changements de santé comme un déclin respiratoire ou un rythme cardiaque irrégulier, ou fournir des données d’activation musculaire ou de fréquence cardiaque aux athlètes pendant l’entraînement.
La fibre étant contrôlée par un petit périphérique externe, la prochaine étape consistera donc à concevoir une nouvelle puce en tant que microcontrôleur pouvant être connecté à l’intérieur de la fibre elle-même.
« Quand nous pouvons le faire, nous pouvons l’appeler un ordinateur à fibre optique », conclut Gabriel Loke.
Cette recherche a été soutenue par l’US Army Institute of Soldier Nanotechnologies, la National Science Foundation, le US Army Research Office, le MIT Sea Grant et la Defense Threat Reduction Agency.
