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从意念书写到电子皮肤,微型芯片如何打开仿生之门?

发布人:传感器技术时间:2021-11-17来源:工程师
脑机接口、皮肤接口,微型芯片正为医疗健康开辟新路。

作者 |  ZeR0
编辑 |  漠影
微型芯片,正成为开启仿生之门的钥匙。人脑拥有地球生物中最复杂的结构,芯片是各种电子设备的核心,当自然的精妙之作与人类的智慧结晶接壤,或许能破解生命的奥秘。一些科学家们执着于此。他们突破固有思维,探索人体的特征,尝试将芯片植入大脑、皮肤,以此解析生命信号的更多可能。

在这场改变人类命运的长期求索中,有两位天才科学家的研究工作颇具代表性。脑机接口专家、斯坦福大学教授、神经假体系统转化实验室联合主任Krishna Shenoy,将芯片放入人脑,通过脑机接口解读思维,让失语者重新具备表达的能力。“柔性电子之父”John A. Rogers是少有的入选美国所有国家科学院(美国国家工程院、美国国家科学院和国家医学科学院)的天才人物,他设计出能连接皮肤的电子设备,可以精确测量各种人体指标,甚至能辅助新冠患者监测监控状况。无论是脑机接口,还是柔性电子皮肤,都通过研发对人体友好的新型计算机芯片,在为生命传递更多科技的温度,向“数字永生”再迈进一步。
脑机接口:向大脑植入微型芯片,实现意念书写


大约3磅重的人脑,是世间最神秘的构造之一。如何倾听和读懂大脑的语言,帮助有相关障碍的病患?这是Krishna Shenoy一直在探索的事。

通过连接大脑去帮助有其它疾病或损伤的患者,有可能彻底改变整个医学体系。而微型芯片,在大脑损伤而导致某种活动无法实现时,也许能让失明者重见光明、瘫痪者恢复运动能力。芯片就像指甲或阿司匹林****片那么大,高度定制化,能耗极低,通过神经外科手术被植入大脑外层后,就能收集神经元发出的电信号,并对其进行实时的数学计算。

Krishna Shenoy展示的电极阵列中,每个电极4毫米见方,共有100个微型电极,每个长度1.5毫米,这组电极阵列就是该研究领域的核心,名为“犹他电极阵列”(Utah Electrode Array)。通过手术在大脑开一个小口,然后快速地放入电极阵列,大概在大脑表皮以下1.5-2毫米处,这些电极的末梢紧挨着个体细胞和神经元,观察其中一个电极,可以看到电压和时间脉冲。

每次你想移动手臂的时候,你会从不同的神经元那里获得不同样式的反馈。

为了对来自大脑的神经活动进行精准解码,每个电极都接通至小型连接器的不同面板上,连接器非常小且位于大脑之上。

但我们可以想象一下不用这个连接器,各种活动仍然可以进行,我们可以用一个小型无线电****来替代,就像手机中的蓝牙或者WiFi装置,这就是微型芯片。这样头部皮肤能保持完整,头发可以完好无损。最后一步,当我们想要在实验室或使用者家中记录这些信号时,我们会放置一个小型的信号扩大器,收集并放大这些极其微弱的信号,然后传输至电脑中进行解码。

“我刚才所说的这些,完全有可能在不久的将来,通过芯片得以实现?!盞rishna Shenoy说,“该领域的许多研究团队和企业都在为此而努力?!?/span>得益于相关机器学习和解码算法的进步,参与实验的瘫痪患者,通过在大脑中想象写字,意念操纵机器屏幕每分钟生成大约90个字母。

这比此前用屏幕光标打字的速度快了1倍多,错误率从原来的5%降至0.5%。

如此一项帮助失语者实现正常速度交流的重要进展,在今年5月登上科技顶刊Nature的封面。
表皮电子设备:芯片走进皮肤,改变健康诊疗


类似的,“柔性电子之父”John A. Rogers也致力于研究另一种“人体芯片”。除了脑机结合外,他希望电子设备也能够用于人体的其它重要器官,包括心脏、皮肤。

皮肤是最大的人体器官组织,如果能将电子设备与皮肤无感相连,则可以在任何日?;肪诚鲁中薪】导嗖?,传递和监控人体多个器官和系统的神经活动。而这有一个前提:硅基芯片能变得像橡胶一样柔软,无创地与人体结合吗?

当今的电子设备都基于刚性平台,也就是具有机械和几何学特性的半导体晶片,你可以把它放在手机或电脑中,但你肯定不希望把这玩意塞进大脑里、心脏周围或者皮肤上。因此,必须重新构建电子设备,让它像人体组织一样与人体兼容,这是John Rogers过去15年一直为之努力的目标。生物的软组织所具有的力学特性,既有柔性,还要能像橡胶一样拉伸。所以,表皮电子设备既要够薄,又要有弹性。如下图幻灯片左边所示,对于一个具有或不具有电子特性的硅片,可以在硅片上做出非常薄的硅带硅薄膜和硅线,硅片上的纳米级硅带就自然会变得柔软。但它仍是硅,仍可被赋予高水平的电子性能,从而制造出可弯曲的精密电子设备。

再看这张幻灯片的右半部分,把这些硅带粘在柔软的薄膜橡胶基片上,但并不是按平面放置,而是做成波浪形,形成一种软硬组合材料。

硅是活性材料,下边的基片具有与人体兼容的电子特性,这样就可以拉伸挤压弯曲和打结,同时不会破坏硅材料本身,因为波浪状可以随着材料的变形而改变,这就和手风琴的原理类似。

硅带的形状不仅可以是波浪形,也可以像内部彼此连接的小弹簧,通过对这些软硬结合材料进行力学量化建模,就可以设计电路来提供相应的电子功能,同时确保力学特性可以和皮肤相适应。这样,我们就有了非常薄、像临时纹身般的人造皮肤。它具有皮肤的弹性、可拉伸性等特性,能置于人体任何部位的表皮,成为人体的一部分。

皮肤是自然褶皱的,而电子设备能很好地适应这些褶皱,毫无力学阻碍,接口处的压力微乎其微,在安装和移除的过程中几乎不会对皮肤造成任何损害。就像脑机接口一样,你可以将这种非侵入式的可逆连接看作皮肤接口。它能精确测量各种人体健康指标,乃至达到重症监护室设备的精度级别。

它们能在任何日?;肪诚鹿ぷ?,可用来监测心脏健康、精确跟踪皮肤的水合作用、检测血液脉冲流等,实现目前可穿戴设备无法实现的功能。目前全球多个团队都在研发这样的皮肤电子设备,各种不同的传感器得以问世,这些传感器都可以用于这些平台,相关的论文有几百篇。

通过不间断地进行监测,获取足够数量的数据,并通过机器学习来加以分析,这些表皮电子设备已经开始在临床发挥作用。在印度巴基斯坦赞比亚肯尼亚和加纳,截至目前,已经有约1万名婴儿和孕妇使用了这些无线表皮电子设备,能获取全天重要生命体征监测。

John Roger团队也分别针对孕妇、老年人等特定群体开发了柔性电子设备,来监测其健康数据。其设备还被应用在抗疫一线,通过监测咳嗽和呼吸,来监测新冠肺炎患者的健康状况。有了各种监测数据,未来,还有望确定一个人是否患病,这可以作为对传统分子(化验)方法的补充。John Roger相信,强大的数字设备会得以广泛应用,这种设备是持续监测的、亲肤的、没有不适感的、简单易用的,它基于机器学习和数据分析。他们在近期的Science Advances上发表了相关论文。


结语:走向科技的诗与远方


这些天才科学家们,正通过解码生命的特征。他们在11月6日举办的腾讯科学WE大会上,讲述他们所洞察的未来。这是腾讯科学WE大会举办的第9年,每一年,都有许多位久久为功的科学家们站到演讲台上,分享大千世界的各种神奇密码。他们中,有人仰望星空,试图破解宇宙的玄妙;有人聚焦生命,钻研模拟自然的可能。未来会是什么样的?没有人能给出确切的答案。但当聆听这些科学家们的声音时,我们可以短暂地忘记现实生活中的杂音,静下心来,跟随他们的脚步,去感受一段激动人心的求知历程。在求知路上,他们正笃定地探寻旷野,走向科技的诗与远方。


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关键词: 微型芯片

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