The Innovation | 织物计算：无处不在的织物所驱动的计算新范式

Video 1 论文概述

导 读

随着万物互联的发展，人们可以轻松地与周围环境进行沉浸式交互。但目前以物联网终端为主的交互方法缺乏人机交互细粒度的感知能力等问题。为了解决这些问题，未来的感知终端设备需要具备以下特点：舒适性，无论用户身处何处，数据都能被采集并反馈到学习系统，在系统与人长期共融共生的情况下，系统的智能性可不断获得提升；隐蔽性，好的技术应当“润物细无声”地消融在生活场景中，给人带来更多自如、自由的体验；普适性，我们在每天生活中都要接触许多不同种类的织物，这些织物能在人类衣食住行方方面面，和物理世界打交道的最源头进行感知，这种自然态交互方式更具普适性。近日华中科技大学和上海交通大学合作团队提出了一种新颖的计算模式Fabric computing，基于该模式创造性地给出了“非芯片感知”的新概念。本文讨论了织物计算的核心概念、优势、机遇与挑战。

图1 图文摘要

随着分布式计算、新型存储、无线通信等信息技术的不断发展，普适计算正在成为现实。普适计算强调以人为本并将计算集成到我们的环境中，同时相应的设备响应根据用户行为和环境进行自适应调节。目前，普适计算利用现有的硅基材料制成感知设备，通过联网将多个设备采集的感知数据传输至后端。通常，用户无需关心部署在前端的感知设备，只需专注于普适计算提供的服务。虽然基于硅的信息技术已经可以较好地融入日常生活，但无法做到完全隐藏技术实体。此外，基于传感器网络的普适计算在舒适性、美观性、隐私性等方面难以满足人-机-环共融共生的需求。

随着硅光刻技术的不断进步，晶体管的尺寸正在接近其物理极限，这也限制了处理器性能继续提升的空间。以摩尔定律为代表的信息技术驱动力正在减弱，我们正在进入后摩尔时代。半导体集成技术的提升空间越来越窄，单位面积算力的提升陷入停滞，限制了信息技术的发展。为了减轻该影响，需要从多学科交叉的角度来探索解决方案以推动信息技术的发展。

最早的人类文明几乎都使用了棉、麻和羊毛等天然纤维织物。材料和纺织品的发展帮助了人类文明数千年的演变，提高了人们的生活质量以及对舒适和审美的追求。随着传统纺织业与电子技术、制造技术、传感器技术、物联网技术等新兴科技的进一步融合，人们对织物有了更高的期望，不仅追求舒适和美观，还需要其多功能性。例如在织物内部集成多种功能如显示、通信、存储、交互、储能等，以精确地实时感知和响应外部刺激。多功能织物是一种普遍的、灵活的、可穿戴的技术，是日常生活中重要的多功能信息获取的媒介。

图2 计算模式的未来发展方向

基于上述研究进展，我们提出了一种织物驱动的计算新范式，即织物计算(图3)。织物计算利用多材料和多功能纤维作为多通道和多模态传感单元，并通过织物的编织结构将传感单元与本地处理器直接连接。这使得计算模式具有非芯片感知和交互能力。我们将具有感知、反馈、计算和交互功能的织物驱动智能实体称为智能织物代理。多织物智能代理具有超高分辨率、高灵敏度和多物理感知等特点。基于智能织物系统构建的新型人机交互模式，可实现人与生活空间环境的无缝连接。

图3 一种全新的织物驱动的计算范式

MIT的Yoel Fink教授提出计算织物 (Computing Fabric)是指单根纤维可以执行传感、供能、数据存储和处理功能时，织物（这些纤维的集合体）可作为一个计算环境[Matter 2, 786-788 (2020)]。在计算机领域的结构计算(Fabric Computing)是指由存储、网络和并行处理功能组成的高性能计算系统，各组件之间松耦合并通过高带宽互联。这里的fabric作为修饰computing的形容词，指代这种计算节点类似羽毛，抽象来看“节点”与“链接”组成了类似编织物的结构。而本文提出的Fabric Computing中的Fabric是其原义，即物理意义上的织物。通过对织物计算概念的延伸，本文定义了更多与之相关的术语，比如：Intelligent Fabric Computing是智能织物计算，是融合织物计算与人工智能的一种技术；Intelligent Fabric Agent智能织物代理，强调织物计算智能化与自主化[Adv. Mater., 2200895 (2022)]；Intelligent Fabric Space则是若干个承载Fabric Computing的载体所覆盖的智能空间。

与基于传统物联网传感的芯片计算的通信模式相比，织物计算具有“非芯片感知”的特性(图4)，且边缘服务器可部署在视距范围之外。在视距区域内部署超密集传感器节点的情况下，由于无线信道的固有特性，无线性能在数据速率、延迟和可靠性等方面会随着接入设备个数和路由跳数显著下降。智能织物驱动的传感直接通过织物本身将传感单元与本地处理器连接起来，从而避免了大量的单独无线连接。

图4 感知单元与边缘服务器之间的通信

普适计算环境下的智能空间是指嵌入计算、通信和感知能力的物理空间，人们可以在工作和家庭中不受干扰地获得计算和信息服务。随着信息技术的不断发展，支撑普适计算的各种必要服务组件逐渐丰富起来。高效、顺畅地管理、使用和集成这些组件的架构日趋成熟。然而，普适计算并不能消除硬件设备对用户的干扰，也难以解决安全和隐私问题。这些都成为制约未来智慧空间进一步开放和推广的瓶颈。以人为中心的智能织物空间，利用生活空间中的多种异构织物代理构建的典型智能织物计算环境，在满足信息服务功能需求的同时，能够最大程度满足人们对美观和舒适的要求(图5)。

图5 普适计算与智能织物计算的比较

总结与展望

随着纤维逐渐被赋予感知和交互的能力，由多功能纤维组成的多功能织物已成为多模态物理量信息的有效载体。本文提出了织物计算新范式，它构建了一个不受芯片密度限制的超密集传感和交互通道阵列，利用多功能纤维获取近人端原始数据，在日常生活中实现认知智能。近年来多功能织物产业取得了诸多进展，在多功能纤维制备、集成电路设计、自动化系统实现、跨学科系统集成等方面的研究前景广阔。本文探索了几个开放的研究挑战，希望通过关注织物计算框架带来的变化来扩展潜在的智能化应用场景。

责任编辑

唐 兴    厦门大学

严 炎    西南交通大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00136-9

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Review发表的“Fabric computing: Concepts, opportunities, and challenges” (投稿: 2022-06-18；接收: 2022-10-08；在线刊出: 2022-10-14)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100340

引用格式：Chen M., Liu J., Li P., et al. (2022). Fabric computing: Concepts, opportunities, and challenges. The Innovation. 3(6),100340.

作者简介

陶光明，华中科技大学武汉光电国家研究中心和材料科学与工程学院教授，致力于纤维光电子学的交叉学科研究，在Science等学术期刊发表论文85篇，拥有已授权国际/国内发明专利35项、申请国家发明专利45项。任中国材料研究学会纤维材料改性与复合技术分会理事会副主任、中国光学学会红外与光电器件专业委员会委员、中国奥林匹克委员会备战巴黎奥运会科学顾问、湖北省拳击协会发起人和副会长等。陶教授所带领的科研团队围绕着产业技术创新关键问题，创建了世界上首条光学超材料织物器件生产线，成果入选“2021年中国光学十大进展”。

http://fibers.wnlo.hust.edu.cn/

杨广中，上海交通大学医疗机器人研究院院长，讲席教授。主要研究领域为医疗成像技术、传感技术与机器人。英国帝国理工学院哈姆林机器人手术中心创始人，科学杂志Science Robotics 创刊主编，曾任世界经济论坛人工智能与机器人全球议程委员。英国皇家工程院院士（FREng）、国际电气与电子工程师协会Fellow（FIEEE）、英国工程科技院Fellow（FIET）。2010 年被泰晤士报出版的科学杂志《Eureka》评选为英国科学界顶尖百强人物。2017 年被英女皇授予大英帝国司令勋章（CBE），是首位获此殊荣的大陆科学家。

https://imr.sjtu.edu.cn/xy_leaders/2886.html

陈 敏，IEEE Fellow, 教授，博导，长期从事智能认知与数据驱动的通信与智能服务等领域研究。在IEEE JSAC、IEEE TNNLS、IEEE TPDS等期刊及学术会议发表论文200余篇。获2020年吴文俊人工智能自然科学奖、IEEE车载技术协会Jack Neubauer Memorial Award、IEEE ComSoc APB Oustanding Paper Award、IEEE通信协会Fred W. Ellersick Prize等。

https://www.ece.ubc.ca/~minchen

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球49个国家；已被112个国家作者引用；每期1/4-1/3通讯作者来自海外。目前有195位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，33位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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