E se as roupas que você veste pudessem cuidar da sua saúde?

Pesquisadores do MIT desenvolveram um computador programável autônomo na forma de uma fibra elástica, que poderia monitorar condições de saúde e atividade física, alertando o usuário sobre potenciais riscos à saúde em tempo real. As roupas contendo o computador de fibra eram confortáveis e laváveis à máquina, e as fibras eram quase imperceptíveis ao usuário, relatam os pesquisadores.

Diferentemente dos sistemas de monitoramento corporal conhecidos como “wearables”, que estão localizados em um único ponto como o peito, pulso ou dedo, tecidos e vestuários têm a vantagem de estar em contato com grandes áreas do corpo perto de órgãos vitais. Como tal, eles apresentam uma oportunidade única de medir e entender a fisiologia e a saúde humanas.

O computador de fibra contém uma série de microdispositivos, incluindo sensores, um microcontrolador, memória digital, módulos bluetooth, comunicações ópticas e uma bateria, compondo todos os componentes necessários de um computador em uma única fibra elástica.

Os pesquisadores adicionaram quatro computadores de fibra a um top e um par de leggings, com as fibras correndo ao longo de cada membro. Em seus experimentos, cada computador de fibra programável independentemente operou um modelo de aprendizado de máquina que foi treinado para reconhecer autonomamente exercícios realizados pelo usuário, resultando em uma precisão média de cerca de 70 por cento.

Surpreendentemente, quando os pesquisadores permitiram que os computadores de fibra individuais se comunicassem entre si, sua precisão coletiva aumentou para quase 95%.

“Nossos corpos transmitem gigabytes de dados através da pele a cada segundo na forma de calor, som, bioquímicos, potenciais elétricos e luz, todos os quais carregam informações sobre nossas atividades, emoções e saúde. Infelizmente, a maior parte — se não tudo — é absorvida e então perdida nas roupas que vestimos. Não seria ótimo se pudéssemos ensinar as roupas a capturar, analisar, armazenar e comunicar essas informações importantes na forma de insights valiosos sobre saúde e atividade?” diz Yoel Fink, professor de ciência e engenharia de materiais no MIT, pesquisador principal no Research Laboratory of Electronics (RLE) e no Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN), e autor sênior de um artigo sobre a pesquisa, que aparece hoje na Nature .

O uso do computador de fibra para entender as condições de saúde e ajudar a prevenir lesões também passará em breve por um teste significativo no mundo real. Membros do serviço do Exército e da Marinha dos EUA conduzirão uma missão de pesquisa de inverno de um mês no Ártico, cobrindo 1.000 quilômetros em temperaturas médias de -40 graus Fahrenheit. Dezenas de camisas de malha merino de camada de base com computadores de fibra fornecerão informações em tempo real sobre a saúde e a atividade dos indivíduos que participam desta missão, chamada Musk Ox II.

“Em um futuro não muito distante, os computadores de fibra nos permitirão executar aplicativos e obter serviços valiosos de saúde e segurança a partir de simples vestimentas cotidianas. Estamos animados para ver vislumbres desse futuro na próxima missão no Ártico por meio de nossos parceiros no Exército, Marinha e DARPA dos EUA. Ajudar a manter nossos membros do serviço seguros nos ambientes mais adversos é uma honra e um privilégio”, diz Fink.

Ele é acompanhado no artigo pelos coautores principais Nikhil Gupta, um estudante de pós-graduação em ciência de materiais e engenharia do MIT; Henry Cheung MEng '23; e Syamantak Payra '22, atualmente um estudante de pós-graduação na Universidade de Stanford; John Joannopoulos, o professor Francis Wright de Física no MIT e diretor do Instituto de Nanotecnologias de Soldados; bem como outros no MIT, na Escola de Design de Rhode Island e na Universidade Brown.

O computador de fibra se baseia em mais de uma década de trabalho no  laboratório Fibers@MIT no RLE e foi apoiado principalmente pela ISN. Em  artigos anteriores , os pesquisadores demonstraram métodos para incorporar dispositivos semicondutores, diodos ópticos, unidades de memória, contatos elétricos elásticos e sensores em fibras que poderiam ser transformadas em tecidos e vestimentas.

“Mas nós batemos em uma parede em termos da complexidade dos dispositivos que poderíamos incorporar à fibra por causa de como a estávamos fazendo. Tivemos que repensar todo o processo. Ao mesmo tempo, queríamos torná-la elástica e flexível para que ela correspondesse às propriedades dos tecidos tradicionais”, diz Gupta.

Um dos desafios que os pesquisadores superaram é a incompatibilidade geométrica entre uma fibra cilíndrica e um chip planar. Conectar fios a pequenas áreas condutoras, conhecidas como pads, na parte externa de cada microdispositivo planar provou ser difícil e propenso a falhas porque microdispositivos complexos têm muitos pads, tornando cada vez mais difícil encontrar espaço para conectar cada fio de forma confiável.

Neste novo design, os pesquisadores mapeiam o alinhamento do pad 2D de cada microdispositivo para um layout 3D usando uma placa de circuito flexível chamada interposer, que eles enrolaram em um cilindro. Eles chamam isso de design “maki”. Então, eles conectam quatro fios separados nas laterais do rolo “maki” e conectam todos os componentes juntos.

“Esse avanço foi crucial para nós em termos de capacidade de incorporar elementos de computação de maior funcionalidade, como o microcontrolador e o sensor Bluetooth, na fibra”, diz Gupta.

Essa técnica de dobradura versátil pode ser usada com uma variedade de dispositivos microeletrônicos, permitindo que eles incorporem funcionalidades adicionais.

Além disso, os pesquisadores fabricaram o novo computador de fibra usando um tipo de elastômero termoplástico que é várias vezes mais flexível do que os termoplásticos que eles usaram anteriormente. Esse material permitiu que eles formassem uma fibra elástica lavável à máquina que pode esticar mais de 60 por cento sem falha.

Eles fabricam o computador de fibra usando um processo de desenho térmico que o grupo Fibers@MIT foi pioneiro no início dos anos 2000. O processo envolve a criação de uma versão macroscópica do computador de fibra, chamada de pré-forma, que contém cada microdispositivo conectado.

Essa pré-forma é pendurada em um forno, derretida e puxada para baixo para formar uma fibra, que também contém baterias de íons de lítio incorporadas para que ela possa se autoalimentar.

“Uma antiga integrante do grupo, Juliette Marion, descobriu como criar condutores elásticos, então, mesmo quando você estica a fibra, os condutores não quebram. Podemos manter a funcionalidade enquanto a esticamos, o que é crucial para processos como tricô, mas também para roupas em geral”, diz Gupta.

Depois que o computador de fibra é fabricado, os pesquisadores usam uma técnica de trança para cobrir a fibra com fios tradicionais, como poliéster, lã merino, náilon e até seda.

Além de coletar dados sobre o corpo humano usando sensores, cada computador de fibra incorpora LEDs e sensores de luz que permitem que várias fibras em uma peça de roupa se comuniquem, criando uma rede têxtil que pode realizar cálculos.

Cada computador de fibra também inclui um sistema de comunicação Bluetooth para enviar dados sem fio para um dispositivo como um smartphone, que pode ser lido por um usuário.

Os pesquisadores alavancaram esses sistemas de comunicação para criar uma rede têxtil costurando quatro computadores de fibra em uma vestimenta, um em cada manga. Cada fibra executou uma rede neural independente que foi treinada para identificar exercícios como agachamentos, pranchas, círculos de braço e estocadas.

“O que descobrimos é que a capacidade de um computador de fibra de identificar atividade humana era apenas cerca de 70 por cento precisa quando localizada em um único membro, os braços ou pernas. No entanto, quando permitimos que as fibras em todos os quatro membros 'votassem', elas coletivamente atingiram quase 95 por cento de precisão, demonstrando a importância de residir em várias áreas do corpo e formar uma rede entre computadores de fibra autônomos que não precisa de fios e interconexões”, diz Fink.

No futuro, os pesquisadores querem usar a técnica do interpositor para incorporar microdispositivos adicionais.

Em fevereiro, uma equipe multinacional equipada com tecidos de computação viajará por 30 dias e 1.000 quilômetros no Ártico. Os tecidos ajudarão a manter a equipe segura e prepararão o cenário para futuros modelos fisiológicos de “gêmeos digitais”.

“Como líder com mais de uma década de experiência operacional no Ártico, uma das minhas principais preocupações é como manter minha equipe segura de ferimentos debilitantes causados ??pelo frio — uma ameaça primária aos operadores no frio extremo”, diz o Major do Exército dos EUA Mathew Hefner, comandante do Musk Ox II. “Os sistemas convencionais simplesmente não me fornecem uma imagem completa.  Usaremos os tecidos de computação da camada base 24 horas por dia, 7 dias por semana, para nos ajudar a entender melhor a resposta do corpo ao frio extremo e, finalmente, prever e prevenir ferimentos.”

Karl Friedl, cientista sênior de pesquisa em fisiologia do desempenho do Instituto de Pesquisa de Medicina Ambiental do Exército dos EUA, observou que a tecnologia de tecido de computação programável do MIT pode se tornar um "divisor de águas para a vida cotidiana".

“Imagine computadores de fibra de curto prazo em tecidos e vestuário que detectam e respondem ao ambiente e ao estado fisiológico do indivíduo, aumentando o conforto e o desempenho, fornecendo monitoramento de saúde em tempo real e fornecendo proteção contra ameaças externas. Os soldados serão os primeiros a adotar e se beneficiar dessa nova tecnologia, integrada a sistemas de IA usando modelos fisiológicos preditivos e ferramentas relevantes para a missão para aumentar a capacidade de sobrevivência em ambientes austeros”, diz Friedl.

“A convergência de fibras e tecidos clássicos com computação e aprendizado de máquina apenas começou. Estamos explorando esse futuro empolgante não apenas por meio de pesquisa e testes de campo, mas, principalmente, em um curso do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, 'Tecidos de Computação', ministrado com a Professora Anais Missakian da Escola de Design de Rhode Island”, acrescenta Fink.

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Instituto de Nanotecnologia de Soldados (ISN) do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pela Agência de Redução de Ameaças de Defesa dos EUA, pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA, pela Bolsa da Fundação Fannie e John Hertz, pela Bolsa da Fundação Paul e Daisy Soros para Novos Americanos, pelo Programa de Bolsistas Stanford-Knight Hennessy e pela Fundação de Bolsas de Estudo para Astronautas.