سیلیکون را فراموش کنید؛ کامپیوتر‌هایی از جنس پارچه در راه هستند

دن پرستون (Dan Preston)، مهندس مکانیک دانشگاه رایس که با یک پیراهن دکمه‌دار و به ظاهر متعارف وارد تماس ویدیویی با مجله وایرد شد، نکات جالبی در مورد طراحی خلاقانه و جدید خود ارائه کرد. پرستون و تیم تحت سرپرستی او، یک کاپشن مشکی براق طراحی و آماده کرده‌اند که قادر است بدون نیاز به نیروی برق کار کند. این کاپشن می‌تواند کلاه خود را با فشردن یک دکمه بالا و پایین ببرد و شامل یک حافظه ساده 1 بیتی است که وضعیت کلاه در حالت بالا یا پایین بودن را ذخیره می‌کند. به‌گفته پرستون، این تراشه بر مبنای مفهومی که آن‌را منطق پایدار غیر الکترونیکی در یک دستگاه پارچه‌ای توصیف می‌کند، کار می‌کند. 

این همان نقطه‌ای است که عملکرد این کاپشن مورد توجه قرار می‌گیرد، زیرا مجهز به یک برد آردوینو یا تراشه‌های نیمه‌هادی نیست و باتری هم ندارد. پرستون و گروهش تکه‌هایی از پارچه تافته نایلونی را که مصرف تجاری دارد برش داده و آن‌ها را به هم چسبانده‌اند تا کیسه‌هایی بادی به اندازه نصف یک کارت ویزیت بسازند. کیسه‌ها را با لوله‌های نرم کوچک به هم وصل کردند و آن‌ها را داخل کاپشن جاسازی کردند. با فشار دادن دکمه‌های روی این کاپشن، جریان هوا از یک محفظه شامل دی‌اکسیدکربن از طریق کیسه‌ها کنترل می‌شود. کیسه‌ها تا می‌شوند و باز می‌شوند تا پیچ‌ و تاب‌هایی را بخورند. پر یا خالی شدن باد کیسه هوای داخل کلاه باعث بالا و پایین رفتن آن می‌شود.

پرستون می‌گوید: «در نگاه اول، این کاپشن بیشتر شبیه لاستیک دوچرخه به‌نظر می‌رسد تا کامپیوتر، اما می‌توان کیسه‌های پر از هوای نصب‌شده روی این لباس را مشابه ترانزیستورهای الکترونیکی تصور کرد. در یک مدار الکترونیکی، ترانزیستورها جریان الکترون‌ها یا جریان الکتریکی را بر اساس ولتاژ موجود در مدار کنترل می‌کنند. ما فقط ولتاژ را با فشار و جریان الکتریکی را با جریان یک سیال که در این مورد «هوا» است، جایگزین می‌کنیم».

این گروه تحقیقاتی یک مدار NOT یا وارونگر مبتنی بر هوا ایجاد کردند. در یک مدار الکترونیکی، دروازه NOT مقداری ورودی را معکوس می‌کند. به‌طور مثال، 1 را مطابق با ولتاژ بالا دریافت می‌کند و آن‌را به 0 یا ولتاژ پایین تغییر می‌دهد. در مورد این پروژه، هوایی که به داخل کیسه می‌رود ممکن است فشار بالایی داشته باشد و کیسه می‌تواند آن را به فشار پایین تبدیل کند یا برعکس. این فناوری ریشه در فناوری‌های قدیمی دارد. زمانی که مهندسان دستگاه‌های منطقی مبتنی بر هوا را طراحی کردند، زیرا دشمنان نمی‌توانستند با استفاده از پالس‌های الکترومغناطیسی در آن‌ها تداخل ایجاد کنند.

مایکل ونر (Micheal Wehner)، مهندس مکانیک دانشگاه ویسکانسین-مدیسن که در این پژوهش شرکت نداشت، در این باره می‌گوید: «واقعا خوشحالم که می‌بینم انسان‌ها فراتر از جدیدترین و آخرین دستاوردها در حوزه فناوری پوشیدنی‌ حرکت می‌کنند». استفاده این گروه پژوهشی از منطق مبتنی بر پارچه و هوا که به‌عنوان منطق پنوماتیک  (Pneumatic) نیز شناخته می‌شود، کاری جدید است. پوشیدنی‌هایی، مانند فیت‌بیت (Fitbit) و ساعت‌های هوشمند از نمونه‌هایی هستند که بر مبنای دستگاه‌های سنتی طراحی شده‌اند، اما برای انجام فعالیت‌ها نیازمند باتری و ترانزیستورها هستند.  

این کاپشن در گروه ربات‌های نرم قرار می‌گیرد که در واقع ماشین‌های خودکار و قابل برنامه‌ریزی هستند و از مواد انعطاف‌پذیر مانند لاستیک، سیلیکون یا پارچه ساخته شده‌اند. در سال‌های اخیر، محققان شروع به طراحی ربات‌های نرمی کرده‌اند که شاید بتوانند در کنار انسان کار کنند. این ربات‌ها معمولا با دقت کمتری نسبت به همتایان فلزی سخت خود حرکت می‌کنند، اما به‌دلیل بافت نرمی که دارند، ارتباط با آن‌ها ساده‌تر است. ونر می‌گوید: «اگر هنگام کار کردن، یک ربات [سخت] به شما ضربه بزند، در صورتی که خوش شانس باشید به بیمارستان می‌روید، اما اگر یک ربات نرم مثل یک ایربگ بزرگ به شما برخورد کند، همه می‌خندند و همه‌چیز ختم به خیر می‌شود».

به عبارت دیگر، ربات‌های نرم باید به شکلی راحت‌تر و ایمن‌تر با فعالیت‌های عادی انسان یکپارچه شوند. از آن‌جایی که عناصر مورد استفاده پرستون از جنس پارچه هستند، این کاپشن هوشمند بیشتر شبیه یک لباس معمولی است تا یک لباس پر از لوازم الکترونیکی یا قطعات سخت. ونلونگ ژانگ (Wenlong Zhang) مهندس مکانیک دانشگاه ایالتی آریزونا که در این پژوهش شرکت نداشته در این باره می‌گوید: «برای انسان‌ها بسیار ساده است که خود را با این فناوری‌ها وفق دهند و احساس نکنند که چیز عجیب و غریبی به تن دارند».

علاوه بر این، یک کامپیوتر پارچه‌ای نسبت به کامپیوترهای نیمه‌هادی انعطاف‌پذیرتر است. برای آزمایش استحکام این لباس، گروه تحقیقاتی یک تکه ساخته‌شده از چند کیسه پارچه‌ای را در یک کیسه توری قرار داده و 20 بار داخل ماشین لباسشویی گذاشتند. همچنین، با یک وانت تویوتا تاکوما 2002 از روی آن عبور کردند. پرستون می‌گوید: «یک لباس معمولی در طول عمر خود با شرایط نامتعارفی روبه‌رو می‌شود و به‌سرعت مستهلک می‌شود، اما این کیسه‌ها پس از گذراندن آزمایش‌های مختلف، بازهم قابل استفاده بودند. اکنون تصور کنید که بخواهید این آزمایش‌ها را با ساعت‌های هوشمند انجام دهید».

گرچه این کاپشن تا حد زیادی امکان‌ ساخت کامپیوترهای مبتنی بر لباس را نشان می‌دهد، اما این گروه پژوهش‌گر باور دارند که این فناوری می‌تواند به افراد معلولی که در بالا بردن یا پایین آوردن کلاه لباس خود مشکل دارند، کمک کند. آن‌ها علاوه بر این کاپشن، پیراهنی طراحی کردند که می‌تواند به فرد کمک کند تا بازوی خود را بالا بیاورد. این پیراهن شامل کیسه‌های هوا در قسمت بالا تنه است که تلمبه‌ای شبیه آکاردئون را زیر بازو حرکت می‌دهد. پرستون می گوید: «بیش از یک چهارم مردم آمریکا در بلند کردن یک شیء تقریبا 5 کیلوگرمی مشکل دارند».

پژوهش‌گران این پروژه برای ساخت نمونه اولیه این کاپشن، 100 متر نایلون خریداری کردند. ونسا سانچز، دانشمند علم مواد از استانفورد و یکی از اعضای تیم پرستون، می‌گوید: «ممکن است این مقدار پارچه زیاد به‌نظر برسد، اما تامین‌کنندگان معمولا ترجیح می‌دهند هر مرتبه حداقل هزار متر پارچه به ما بفروشند. آن‌ها به نیازهای اندک دانشگاهیان عادت ندارند. این یک چالش عملی است. ممکن است چیزی را که خریداری می‌کنیم واقعا خوب کار کند، اما ما فقط هر چند ماه یک‌بار می‌توانیم یک نمونه را خریداری کنیم. گاهی مجبور می‌شویم چند مرتبه با تامین‌کنندگان تماس بگیریم و به آن‌ها التماس کنیم».

این گروه امیدوار است که در آینده مقیاس کاری خود را افزایش دهند. پرستون می‌گوید: «ما در مراحل ابتدایی تاسیس یک شرکت هستیم تا این فناوری را در دسترس مصرف‌کنندگان قرار دهیم. همچنین، می‌خواهیم ایمنی این لباس‌ها را در آزمایش‌های بالینی بررسی کنیم تا مردم بتوانند از آن‌ها در محیط‌های پزشکی استفاده کنند.»

تا این مرحله کاری که این کاپشن می‌تواند انجام بدهد ساده است، اما گروه تحت سرپرستی پرستون در تلاش برای طراحی قطعاتی هستند که بتوانند کارهای متوالی و وظایف محاسباتی پیچیده‌تری را انجام دهند. به‌عنوان مثال، یک کاپشن در آینده می‌تواند دارای یک حسگر دما باشد و ارزیابی‌های دقیق خود را در اختیار افراد قرار دهد. پرستون می‌گوید: «ما می‌توانیم هر یک از عملکردهای یک کامپیوتر الکترونیکی را تقلید کنیم. بله، شاید انجام آن کمی طولانی شود، اما از نظر فیزیکی ممکن است».

به‌گفته پرستون این لباس در مقایسه با بیش از یک میلیارد عملیات در ثانیه که یک کامپیوتر خانگی انجام می‌دهد، می‌تواند یک عملیات منطقی را در هر ثانیه انجام دهد. در عمل، این بدان معنا است که این لباس فقط می‌تواند توالی‌های کوتاه دستوری را اجرا کند. با توجه به سرعت و برخی چالش‌های مهندسی، به‌نظر می‌رسد پنج تا ده سال طول بکشد تا این ربات‌های مبتنی بر پارچه به بلوغ تجاری برسند.

در آینده، گروه پرستون قصد دارد محفظه دی‌اکسیدکربن را حذف کند و در مقابل فقط از هوای محیط برای پمپاژ کردن به این لباس استفاده کنند. این گروه پیش‌تر در یک پروژه جداگانه، یک کفی فوم برای کفش طراحی کردند که هنگام گام برداشتن، هوای اطراف را به کیسه‌ای که دور کمر پوشیده می‌شود، پمپاژ می‌کند. آن‌ها قصد دارند طرح مشابهی را در این کاپشن ادغام کنند.

همچنین، پرستون بر این باور است که لباس‌های آینده، نیازهای کاربر را حس کرده و به آن‌ها پاسخ خواهند داد. به‌عنوان مثال، یک حسگر نصب‌شده روی لباس در آینده می‌تواند تشخیص دهد کاربر چه زمانی قصد دارد بازویش را بالا ببرد، پس بدون نیاز به فشار دادن دکمه، محفظه را باد می‌کند. او می‌گوید: «سیستم منطقی بر اساس برخی محرک‌های محیطی و وضعیت کنونی می‌تواند به ربات پوشیدنی اجازه دهد تا نوع کار خود را انتخاب کند».