Liệu AI có thể được dệt vào vải sợi?

Liệu AI có thể được dệt vào vải sợi? Kỷ nguyên của những bộ quần áo “biết tư duy” đang đến gần

Trong hàng thiên niên kỷ, vải vóc chỉ phục vụ một mục đích duy nhất và thụ động: bảo vệ cơ học và mang lại sự thoải mái cho cơ thể. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu chiếc áo sơ mi của bạn có thể xử lý thông tin, theo dõi sức khỏe tim mạch và nhận biết khi nào bạn sắp ngã – tất cả đều không cần đến một viên pin cồng kềnh hay một chiếc điện thoại thông minh? Theo một bài tổng quan toàn diện mới có tiêu đề “Weaving Intelligence” (Tạm dịch: Dệt nên trí tuệ), được thực hiện bởi một liên minh toàn cầu gồm các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang (NTU, Singapore), Học viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ tại Lausanne (EPFL, Thụy Sĩ), Đại học Công nghệ Delft (TU Delft, Hà Lan), Đại học Princeton (Princeton, Mỹ), và được dẫn dắt bởi đội ngũ đến từ các Viện Kỹ thuật và Khoa học máy tính tại Trường Đại học VinUni, câu trả lời là một từ “CÓ” đầy vang dội cho câu hỏi liệu trí tuệ nhân tạo (AI) có thể được dệt trực tiếp vào lớp vải mặc hàng ngày hay không. Bài nghiên cứu góc nhìn này được xuất bản trên tạp chí Advanced Materials, ấn phẩm xếp hạng đầu tiên theo Google Scholar trong lĩnh vực Khoa học Vật liệu.

Chìa khóa của sự chuyển đổi này là sự tiến hóa của các sợi vải từ những sợi chỉ đơn thuần thành các hệ thống vật liệu tích cực và có khả năng tính toán. Bằng cách kết hợp khoa học vật liệu với mô hình tính toán mô phỏng não bộ, các nhà nghiên cứu đang mở đường cho các loại vải dệt thông minh “thế hệ thứ ba” – nơi bản thân tấm vải đóng vai trò như một máy tính.

Thu nhỏ máy tính bằng công nghệ “kéo sợi nhiệt”

Nền tảng của cuộc cách mạng trang phục thông minh này nằm ở một kỹ thuật sản xuất tinh vi được gọi là kéo sợi nhiệt (thermal drawing). Thay vì gắn các chip máy tính truyền thống cứng nhắc một cách vụng về lên quần áo, các nhà nghiên cứu lắp ráp một khối trụ với cấu trúc vĩ mô – gọi là phôi (preform) – chứa một cấu trúc sắp xếp phức tạp gồm vật liệu kim loại, bán dẫn, composite và chất cách điện. Bằng cách nung nóng và kéo giãn khối này trong tháp kéo sợi, phôi sẽ được thu nhỏ kích thước thành một sợi mảnh liên tục, với đường kính sợi nhỏ hơn phôi từ 10 lần tới 100 lần, với các cấu trúc trong phôi thu nhỏ thành quy mô vi mô trong sợi.

Điểm đặc biệt của công nghệ này là  quy trình thu nhỏ có thể được kiểm soát để đảm bảo sự bảo toàn thiết diện hoàn hảo: các cấu trúc đa vật liệu phức tạp bên trong phôi ban đầu được giữ nguyên trong lòng sợi , tạo ra một sợi chỉ mềm dẻo dài hàng cây số mà bên trong nó đã chứa sẵn các cảm biến, dây dẫn điện và thậm chí cả khả năng tính toán. Nếu được tích hợp vào vải, các sợi tiên tiến này có khả năng tạo thành khung vật lý cho một mạng lưới cảm biến thông minh phân bố khắp cơ thể con người.

Tính toán như não bộ ngay trong quần áo của bạn

Việc xử lý lượng dữ liệu khổng lồ mà cơ thể chúng ta liên tục tạo ra – như nhịp tim, chuyển động cơ và sự thay đổi nhiệt độ – thường đòi hỏi phải gửi thông tin lên đám mây hoặc điện thoại thông minh, điều này làm hao pin và gây ra độ trễ xử lý. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đang thiết kế các sợi vải có thể xử lý dữ liệu tại chỗ (cục bộ) bằng cách mô phỏng bộ não con người thông qua Mạng thần kinh xung (Spiking Neural Networks – SNNs).

Không giống như các mạng thần kinh nhân tạo thông thường đòi hỏi quá trình tính toán liên tục và tiêu tốn nhiều năng lượng, SNN hoạt động dựa trên các “xung” thông tin rời rạc, rất giống với các tế bào thần kinh (neuron) và khớp thần kinh (synapse) sinh học. Một sợi vải tích hợp SNN chỉ kích hoạt, hoặc “phát xung”, khi nó phát hiện một sự kiện cụ thể, chẳng hạn như sự thay đổi đột ngột về áp suất hoặc nhiệt độ. Phương pháp tiếp cận thúc đẩy bởi sự kiện (event-driven) dựa trên cảm hứng sinh học này tiêu thụ một lượng điện năng cực kỳ thấp, giúp nó trở nên hoàn hảo cho các trang phục vốn có nguồn năng lượng hạn chế. Về bản chất, chính các sợi vải sẽ mã hóa, lưu trữ và xử lý dữ liệu cảm biến ngay tại chỗ bên trong vật liệu.

Mạng lưới phân tán của những sợi chỉ thông minh

Khi các sợi thông minh này tích hợp vào vải đan xen với nhau, chúng có thể tạo thành một “bộ não bằng vải” gắn kết. Thay vì phụ thuộc vào một cảm biến duy nhất trên cổ tay, một chiếc áo thông minh sở hữu các sợi vải phân tán có thể giao tiếp với nhau. Ví dụ, trong các thử nghiệm phân tích hoạt động thể chất của con người, các sợi vải riêng lẻ chỉ đạt độ chính xác trung bình khoảng 67% khi hoạt động độc lập; tuy nhiên, khi bốn sợi vải (mỗi sợi ở một chi) phối hợp để phân loại hoạt động thông qua cơ chế bỏ phiếu theo trọng số, độ chính xác đã tăng lên gần 95%.

Cơ hội ứng dụng thực tế của công nghệ này là vô cùng rộng lớn. Chẳng hạn, trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe chính xác và trí tuệ môi trường quanh ta (ambient intelligence), các trang phục tích hợp sợi đa vật liệu có thể liên tục theo dõi các tín hiệu sinh lý như nhịp tim và động lực hô hấp mà không cần đến các thiết bị bệnh viện vướng víu. Trong chăm sóc người cao tuổi, ga trải giường và thảm thông minh có thể theo dõi các hoạt động hàng ngày một cách kín đáo và phát hiện các cú ngã ngay lập tức, cảnh báo cho người chăm sóc theo thời gian thực mà vẫn bảo vệ toàn vẹn quyền riêng tư của người dùng. Đối với lĩnh vực robot và các tương tác người – máy khác, găng tay tích hợp sợi vải có thể ghi lại các hoạt động vận động tinh, cho phép dịch ngôn ngữ ký hiệu theo thời gian thực hoặc cho phép người dùng điều khiển các phương tiện bay không người lái (drones) và môi trường thực tế ảo một cách trực quan chỉ bằng cách cử động ngón tay.

Tương lai tươi sáng phía trước

Mặc dù tầm nhìn về vải dệt thông minh đang nhanh chóng trở thành hiện thực, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng vẫn còn một vài rào cản phía trước. Việc thiết lập các tiếp điểm điện đáng tin cậy có thể chống chịu được việc giặt giũ, mồ hôi và việc co giãn liên tục là một thách thức lớn cần tìm lời , tương tự là nhu cầu tích hợp công nghệ thu hoạch năng lượng (như tận dụng nhiệt độ cơ thể hoặc chuyển động) để giữ cho các trang phục này hoàn toàn tự chủ về năng lượng sẽ là câu hỏi công nghệ cần giải quyết.

Bất chấp những trở ngại này, sự hội tụ của công nghệ kéo sợi nhiệt và trí tuệ nhân tạo đánh dấu một sự thay đổi hoàn toàn về mặt tư duy (bước chuyển dịch paradigm). Khi các sợi vải tiếp tục tích hợp khả năng cảm biến, bộ nhớ và tính toán mô phỏng thần kinh (neuromorphic computation), quần áo của tương lai sẽ làm được nhiều việc hơn là chỉ giữ ấm cho chúng ta – chúng sẽ trở thành các hệ thống năng động, có khả năng tự nhận thức, học hỏi, dự đoán và thích ứng với nhu cầu của chúng ta.

Tìm hiểu nghiên cứu đầy đủ tại đây: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73574