Vergessen Sie Silizium. Dieser Computer ist aus Stoff gefertigt

Jul 30, 2023

Sophia Chen

Dan Preston meldet sich in einem respektablen, unscheinbaren Hemd mit Knöpfen zu unserem Videoanruf an. Sein persönlicher Stil tendiert vielleicht zum Konventionellen, aber der Maschinenbauingenieur der Rice University ist hier, um mir von seinem kreativen neuen Modedesign zu erzählen. Sein Team hat eine glänzende schwarze Jacke hergestellt, die Logik ausführt – ohne Elektronik. Konkret kann die Jacke ihre eigene Kapuze per Knopfdruck anheben und absenken und verfügt über einen einfachen 1-Bit-Speicher, der den Zustand der Kapuze speichert. Oder, wie Preston sagt, es handelt sich um „eine nicht-elektronische, dauerhafte Logik in einem textilbasierten Gerät“.

Hier müssen wir die Wildheit dieses Designs hervorheben. Der Hoodie enthält weder einen Arduino noch irgendwelche Halbleiterchips. Es hat keine Batterien. Preston und sein Team haben Stücke aus handelsüblichem Nylon-Taft-Stoff geschnitten und zusammengeklebt, um aufblasbare Beutel zu formen, die etwa halb so groß wie eine Visitenkarte sind. Sie verbanden die Beutel mit kleinen weichen Schläuchen und eingebetteten sie in die Jacke. Durch Drücken von Knöpfen an der Jacke wird der Luftstrom aus einem Kohlendioxidbehälter durch die Beutel gesteuert. Die Beutel falten und entfalten sich, um Knicke zu bilden, die einen Airbag in der Motorhaube entweder aufblasen oder entleeren, damit er sich hebt und senkt.

Auf den ersten Blick erinnert die Jacke eher an einen Fahrradreifen als an einen Computer. Aber man kann sich die luftgefüllten Beutel auf der Jacke als Analogie zu elektronischen Transistoren vorstellen, sagt Preston. In einem elektronischen Schaltkreis steuern Transistoren den Elektronenfluss bzw. den elektrischen Strom basierend auf der Spannung im Schaltkreis. „Wir ersetzen lediglich die Spannung durch Druck und den Strom durch den Fluss einer Flüssigkeit, in diesem Fall Luft“, sagt er.

Beispielsweise entwickelte das Team ein luftgestütztes NOT-Tor. In einer elektronischen Schaltung empfängt ein NICHT-Gatter einen Eingang – beispielsweise eine 1, entsprechend einer hohen Spannung – und wandelt ihn in eine 0 oder niedrige Spannung um. Im Fall des Kapuzenpullovers kann die Luft, die in einen Beutel gelangt, unter hohem Druck stehen, und der Beutel kann ihn in einen niedrigen Druck umwandeln oder umgekehrt. Die Technologie hat ihren Ursprung in Verteidigungsanwendungen des Kalten Krieges, als Ingenieure luftbasierte Logikgeräte entwickelten, weil Gegner sie nicht mit elektromagnetischen Impulsen stören konnten.

„Ich freue mich wirklich, dass Menschen radikal über die neuesten Entwicklungen bei Wearables hinausgehen“, sagt Maschinenbauingenieur Michael Wehner von der University of Wisconsin-Madison, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Besonders neuartig ist die Verwendung von stoff- und luftbasierter Logik, auch bekannt als pneumatische Logik, durch das Team. Wearables wie Fitbit und Apple Watch seien in der Regel „bescheidene Adaptionen traditioneller Geräte“, sagt Wehner.

Die Jacke fällt in die Kategorie „Softroboter“, das sind automatisierte, programmierbare Maschinen aus flexiblen Materialien wie Gummi, Silikon oder Stoff. In den letzten Jahren haben Forscher damit begonnen, Soft-Roboter zu entwickeln, die möglicherweise mit Menschen zusammenarbeiten. Sie bewegen sich im Allgemeinen weniger präzise als ihre Gegenstücke aus Hartmetall, haben aber einen sanfteren Anschlag. „Wenn Sie arbeiten und ein [harter] Roboter Sie trifft, gehen Sie mit etwas Glück ins Krankenhaus“, sagt Wehner. „Wenn dich ein weicher Roboter – dieser große Airbag – trifft, lachen alle und haben Spaß.“

Mit anderen Worten: Soft-Roboter sollten sich leichter und sicherer in normale menschliche Aktivitäten integrieren lassen. Da die Logikelemente von Preston aus Stoff bestehen, fühlt sich die intelligente Jacke eher wie eine normale Jacke an als wie ein Mantel voller Elektronik oder anderer harter Komponenten. „Für Menschen ist es sehr einfach, sich daran anzupassen und nicht das Gefühl zu haben, etwas Seltsames zu tragen“, sagt der Maschinenbauingenieur Wenlong Zhang von der Arizona State University, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

Darüber hinaus ist ein Fabric-Computer widerstandsfähiger als ein halbleiterbasierter. Um die Robustheit der Jacke zu testen, legte das Team ein Bauteil aus mehreren Stoffbeuteln in einen Netzbeutel und ließ ihn 20 Mal durch die Waschmaschine laufen. Sie überfuhren es auch mit einem Toyota Tacoma Pickup aus dem Jahr 2002 – Szenarien, „von denen man erwarten könnte, dass ein traditionelles Kleidungsstück im Laufe seines Lebens einigen Extremen ausgesetzt ist“, sagt Preston. Die Beutel funktionierten immer noch. Stellen Sie sich vor, Sie machen das mit einer Apple Watch.

Während die Jacke weitgehend die Machbarkeit einer auf Kleidung basierenden Logik demonstriert, geht das Team auch davon aus, dass sie Menschen mit Behinderungen helfen könnte, die Schwierigkeiten haben, eine Kapuze hoch- oder herunterzuziehen. Zusätzlich zur Jacke haben sie ein Hemd hergestellt, das jemandem helfen kann, seinen Arm am Schultergelenk zu heben. Das Hemd enthält Lufttaschen am Rumpf, die einen ziehharmonikaartigen Blasebalg unter dem Arm pumpen. „Bis zu einem Viertel der Menschen in den Vereinigten Staaten berichten von Schwierigkeiten beim Heben eines 10-Pfund-Gegenstands“, sagt Preston.

Für den Prototypenbau der Jacke kaufte das Team 100 Meter Nylon, um damit zu arbeiten. Es mag wie eine große Stoffmenge erscheinen, aber Lieferanten verkaufen normalerweise lieber mindestens einen Kilometer auf einmal, sagt die Materialwissenschaftlerin Vanessa Sanchez aus Stanford, ein Mitglied von Prestons Team. Sie waren an die geringen Bedürfnisse der Akademiker nicht gewöhnt. „Oft sagen die Leute: ‚Oh, Ihre Menge ist viel zu niedrig‘“, sagt Sanchez. „Das ist eine praktische Herausforderung. Wir bekommen vielleicht etwas, das wirklich gut funktioniert, aber wir können nur alle paar Monate eine Probe bekommen. Ich [muss] sie dann fünfmal anrufen und betteln.“

Aber das Team hofft, später noch größer werden zu können. Preston sagt, dass sie sich in einem frühen Stadium der Gründung eines Unternehmens befinden, um die Technologie den Verbrauchern zugänglich zu machen. Sie möchten die Sicherheit dieser Kleidungsstücke auch in klinischen Studien testen, damit Menschen sie in medizinischen Umgebungen verwenden können.

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Bisher ist die Logik, die die Jacke erfüllen kann, einfach. Aber Prestons Team hat die Komponenten so konzipiert, dass zukünftige Geräte sie nacheinander kombinieren können, um kompliziertere Rechenaufgaben auszuführen. Beispielsweise könnte eine zukünftige Jacke einen Temperatursensor enthalten und das Kleidungsstück könnte diese Sensormessung in seine Funktionen integrieren. „Wir können jede Funktionalität eines elektronischen Computers nachahmen“, sagt Preston. „Zugegeben, es kann etwas länger dauern, aber es ist physikalisch möglich.“

Die vorhandene Hülle kann eine logische Operation pro Sekunde ausführen, verglichen mit den mehr als einer Milliarde Operationen pro Sekunde, die für einen Heimcomputer typisch sind, sagt Preston. In der Praxis bedeutet dies, dass die Jacke nur kurze Befehlssequenzen ausführen kann. Aufgrund der Geschwindigkeit der Logik und einiger anderer technischer Herausforderungen geht Zhang davon aus, dass es fünf bis zehn Jahre dauern wird, bis diese textilbasierten Roboter die kommerzielle Reife erreichen.

Prestons Team plant, in Zukunft auf den unpraktischen Kohlendioxidbehälter zu verzichten. (Sie müssen es wie einen SodaStream nachfüllen.) Stattdessen möchte sein Team einfach die Umgebungsluft nutzen, um die Jacke aufzupumpen. Als separates Projekt hat das Team bereits eine Schaumstoff-Innensohle für einen Schuh entwickelt, die die Umgebungsluft in eine Blase pumpt, die um die Hüfte getragen wird, wenn der Träger einen Schritt macht. Sie planen, ein ähnliches Design in die Jacke zu integrieren.

Preston stellt sich außerdem Kleidung vor, die die Bedürfnisse des Trägers erkennt und darauf reagiert. Beispielsweise könnte ein Sensor an einem zukünftigen Kleidungsstück erkennen, wann der Träger beginnt, den Arm zu heben und aufzublasen, ohne dass ein Knopfdruck erforderlich ist. „Basierend auf einigen Reizen aus der Umgebung und dem aktuellen Zustand kann das Logiksystem es dem tragbaren Roboter ermöglichen, zu entscheiden, was er tun möchte“, sagt er. Wir werden darauf warten, dass dieser Modetrend explodiert.