¿Y si la ropa que usas pudiera cuidar tu salud?
Investigadores del MIT han desarrollado una computadora autónoma programable en forma de fibra elástica, que podría monitorear las condiciones de salud y la actividad física, alertando al usuario sobre posibles riesgos para la salud en tiempo real. La ropa que contenía la computadora de fibra era cómoda y se podía lavar a máquina, y las fibras eran casi imperceptibles para el usuario, informan los investigadores.
A diferencia de los sistemas de monitoreo corporal conocidos como “wearables”, que se ubican en un solo punto como el pecho, la muñeca o el dedo, las telas y prendas tienen la ventaja de estar en contacto con grandes áreas del cuerpo cercanas a órganos vitales. Como tales, presentan una oportunidad única para medir y comprender la fisiología y la salud humanas.
La computadora de fibra contiene una serie de microdispositivos, entre ellos sensores, un microcontrolador, memoria digital, módulos bluetooth, comunicaciones ópticas y una batería, conformando todos los componentes necesarios de una computadora en una sola fibra elástica.
Los investigadores agregaron cuatro computadoras de fibra a una blusa y un par de mallas, con las fibras recorriendo cada extremidad. En sus experimentos, cada computadora de fibra programable de forma independiente operó un modelo de aprendizaje automático que fue entrenado para reconocer de forma autónoma los ejercicios realizados por el usuario, lo que resultó en una precisión promedio de alrededor del 70 por ciento.
Sorprendentemente, una vez que los investigadores permitieron que las computadoras de fibra individuales se comunicaran entre sí, su precisión colectiva aumentó a casi el 95 por ciento.
“Nuestros cuerpos transmiten gigabytes de datos a través de la piel cada segundo en forma de calor, sonido, productos bioquímicos, potenciales eléctricos y luz, todos los cuales transportan información sobre nuestras actividades, emociones y salud. Desafortunadamente, la mayor parte, si no toda, se absorbe y luego se pierde en la ropa que usamos. ¿No sería fantástico si pudiéramos enseñar a la ropa a capturar, analizar, almacenar y comunicar esta importante información en forma de valiosos conocimientos sobre salud y actividad?” dice Yoel Fink, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica (RLE) y el Instituto de Nanotecnologías para Soldados (ISN), y autor principal de un artículo sobre la investigación, que aparece hoy en la naturaleza.
El uso de la computadora de fibra para comprender las condiciones de salud y ayudar a prevenir lesiones pronto también se someterá a una importante prueba en el mundo real. Miembros del ejército y la marina de Estados Unidos llevarán a cabo una misión de investigación invernal de un mes de duración en el Ártico, cubriendo 1.000 kilómetros con temperaturas promedio de -40 grados Fahrenheit. Decenas de camisetas interiores de malla merino con ordenadores de fibra estarán proporcionando información en tiempo real sobre la salud y actividad de los individuos que participan en esta misión, denominada Musk Ox II.
“En un futuro no muy lejano, las computadoras de fibra nos permitirán ejecutar aplicaciones y obtener valiosos servicios de seguridad y atención médica a partir de prendas simples de uso diario. Estamos entusiasmados de ver destellos de este futuro en la próxima misión en el Ártico a través de nuestros socios en el Ejército, la Armada y DARPA de los EE. UU. Ayudar a mantener seguros a nuestros miembros del servicio en los entornos más hostiles es un honor y un privilegio”, afirma Fink.
En el artículo se unen a él los coautores principales Nikhil Gupta, estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales del MIT; Henry Cheung MEng ’23; y Syamantak Payra ’22, actualmente estudiante de posgrado en la Universidad de Stanford; John Joannopoulos, profesor Francis Wright de Física en el MIT y director del Instituto de Nanotecnologías para Soldados; así como otros en el MIT, la Escuela de Diseño de Rhode Island y la Universidad de Brown.
Enfoque de fibra
La computadora de fibra se basa en más de una década de trabajo en el Fibras@MIT laboratorio en el RLE y fue apoyado principalmente por ISN. En trabajos anteriores, los investigadores demostraron métodos para incorporar dispositivos semiconductores, diodos ópticos, unidades de memoria, contactos eléctricos elásticos y sensores en fibras que podrían transformarse en telas y prendas.
“Pero nos topamos con un muro en términos de la complejidad de los dispositivos que podíamos incorporar a la fibra debido a la forma en que la estábamos fabricando. Tuvimos que repensar todo el proceso. Al mismo tiempo, queríamos hacerla elástica y flexible para que coincidiera con las propiedades de los tejidos tradicionales”, dice Gupta.
Uno de los desafíos que superaron los investigadores es el desajuste geométrico entre una fibra cilíndrica y un chip plano. Conectar cables a áreas pequeñas y conductoras, conocidas como almohadillas, en el exterior de cada microdispositivo plano resultó ser difícil y propenso a fallar porque los microdispositivos complejos tienen muchas almohadillas, lo que hace cada vez más difícil encontrar espacio para conectar cada cable de manera confiable.
En este nuevo diseño, los investigadores asignan la alineación de la almohadilla 2D de cada microdispositivo a un diseño 3D utilizando una placa de circuito flexible llamada interposer, que envolvieron en un cilindro. A esto lo llaman el diseño “maki”. Luego, conectaron cuatro cables separados a los lados del rollo “maki” y conectaron todos los componentes.
“Este avance fue crucial para nosotros en términos de poder incorporar elementos informáticos de mayor funcionalidad, como el microcontrolador y el sensor Bluetooth, en la fibra”, dice Gupta.
Esta técnica de plegado versátil podría usarse con una variedad de dispositivos microelectrónicos, permitiéndoles incorporar funciones adicionales.
Además, los investigadores fabricaron la nueva computadora de fibra utilizando un tipo de elastómero termoplástico que es varias veces más flexible que los termoplásticos que usaban anteriormente. Este material les permitió formar una fibra elástica lavable a máquina que puede estirarse más del 60 por ciento sin fallar.
Fabrican la computadora de fibra utilizando un proceso de estiramiento térmico en el que el grupo Fibers@MIT fue pionero a principios de la década de 2000. El proceso implica la creación de una versión macroscópica de la computadora de fibra, llamada preforma, que contiene cada microdispositivo conectado.
Esta preforma se cuelga en un horno, se funde y se descompone para formar una fibra, que también contiene baterías de iones de litio integradas para que pueda alimentarse a sí misma.
“Una ex miembro del grupo, Juliette Marion, descubrió cómo crear conductores elásticos, de modo que incluso cuando se estira la fibra, los conductores no se rompen. Podemos mantener la funcionalidad mientras la estiramos, lo cual es crucial para procesos como el tejido, pero también para la ropa en general”, dice Gupta.
saca el voto
Una vez fabricado el ordenador de fibra, los investigadores utilizan una técnica de trenzado para cubrir la fibra con hilos tradicionales, como poliéster, lana merino, nailon e incluso seda.
Además de recopilar datos sobre el cuerpo humano mediante sensores, cada computadora de fibra incorpora LED y sensores de luz que permiten que varias fibras de una prenda se comuniquen, creando una red textil que puede realizar cálculos.
Cada computadora de fibra también incluye un sistema de comunicación Bluetooth para enviar datos de forma inalámbrica a un dispositivo como un teléfono inteligente, que puede ser leído por un usuario.
Los investigadores aprovecharon estos sistemas de comunicación para crear una red textil cosiendo cuatro computadoras de fibra en una prenda, una en cada manga. Cada fibra ejecutaba una red neuronal independiente que fue entrenada para identificar ejercicios como sentadillas, planchas, círculos con los brazos y estocadas.
“Lo que encontramos es que la capacidad de una computadora de fibra para identificar la actividad humana tenía solo alrededor del 70 por ciento de precisión cuando se ubicaba en una sola extremidad, los brazos o las piernas. Sin embargo, cuando permitimos que las fibras ubicadas en las cuatro extremidades ‘votaran’, en conjunto alcanzaron casi el 95 por ciento de precisión, lo que demuestra la importancia de residir en múltiples áreas del cuerpo y formar una red entre computadoras de fibra autónomas que no necesita cables ni interconexiones”, dice Fink.
En el futuro, los investigadores quieren utilizar la técnica del intercalador para incorporar microdispositivos adicionales.
Perspectivas del Ártico
En febrero, un equipo multinacional equipado con tejidos informáticos viajará durante 30 días y 1.000 kilómetros por el Ártico. Los tejidos ayudarán a mantener seguro al equipo y sentarán las bases para futuros modelos fisiológicos de “hermanamiento digital”.
“Como líder con más de una década de experiencia operativa en el Ártico, una de mis principales preocupaciones es cómo mantener a mi equipo a salvo de lesiones debilitantes en climas fríos, una amenaza principal para los operadores en condiciones de frío extremo”, dice el mayor del ejército estadounidense Mathew Hefner, comandante del Musk Ox II. “Los sistemas convencionales simplemente no me brindan una imagen completa. Usaremos las telas informáticas de la capa base las 24 horas del día, los 7 días de la semana para ayudarnos a comprender mejor la respuesta del cuerpo al frío extremo y, en última instancia, predecir y prevenir lesiones”.
Karl Friedl, científico investigador senior de fisiología del rendimiento del Instituto de Investigación de Medicina Ambiental del Ejército de EE. UU., señaló que la tecnología de tejido informático programable del MIT puede convertirse en un “cambio de juego para la vida cotidiana”.
“Imagínese computadoras de fibra a corto plazo en telas y prendas de vestir que detectan y responden al medio ambiente y al estado fisiológico del individuo, aumentando la comodidad y el rendimiento, proporcionando monitoreo de salud en tiempo real y brindando protección contra amenazas externas. Los soldados serán los primeros en adoptar y beneficiarse de esta nueva tecnología, integrada con sistemas de inteligencia artificial que utilizan modelos fisiológicos predictivos y herramientas relevantes para la misión para mejorar la capacidad de supervivencia en entornos austeros”, dice Friedl.
“La convergencia de fibras y tejidos clásicos con la computación y el aprendizaje automático apenas ha comenzado. Estamos explorando este apasionante futuro no sólo a través de la investigación y las pruebas de campo, sino también, de manera importante, en un curso ‘Computing Fabrics’ del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, impartido por la profesora Anais Missakian de la Escuela de Diseño de Rhode Island”, añade Fink.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Instituto de Nanotecnología para Soldados de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. (ISN), la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Beca de la Fundación Fannie y John Hertz, la Beca de la Fundación Paul y Daisy Soros para nuevos estadounidenses, el Programa de Becas Stanford-Knight Hennessy y la Fundación de Becas de Astronautas.
Publicado originalmente en news.mit.edu el 26 de febrero de 2025.
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