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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?

作者:欧朗电子   发布日期:2021-12-06 10:09:27   阅读量:

微型芯片正成为打开仿生之门的钥匙。

人脑具有地球生物中最复杂的结构,芯片是各种电子设备的核心。当大自然的微妙作品与人类的智慧结晶接壤时,它可能会解决生命的奥秘。

一些科学家执着于此。他们突破固有思维,探索人体特征,尝试将芯片植入人脑和皮肤,分析更多生命信号的可能性。

从意念书写到电子皮肤,微型芯片如何打开仿生之门?(图1)

两位天才科学家的研究工作在这场漫长的求索中颇具代表性。

脑机接口专家、斯坦福大学教授、神经假体系统转换实验室联合主任Krishnashenoy研究将芯片放入人脑,通过大脑接口解读思维,使失语者重新具备表达能力。

软性电子学之父JohnaRogers是美国所有国家科学院(国家工程院、国家科学院和国家医学科学院)中少有的天才。他设计了一种可以连接皮肤的电子设备,可以准确测量各种人体指标,甚至辅助新冠肺炎患者监测和监测情况。

无论是脑机接口还是柔性电子皮肤,都在通过开发对人体友好的新型计算机芯片,向数字永生传递更多科技温度。

一、脑机接口:将微芯片植入人脑,实现意念书写。

大约3磅重的人的大脑是世界上最神秘的结构之一。

如何倾听和阅读人脑的语言,帮助有相关障碍的患者?这是KrishnaShenoy一直在探索的事。

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通过连接人脑来帮助患有其他疾病或损伤的患者,可能会彻底改变整个医疗体系。

当人脑损伤导致某些活动无法实现时,微芯片可能会使失明者重见光明,瘫痪者恢复运动能力。

芯片和指甲或阿司匹林片一样大,高度定制,能耗极低。神经外科植入人脑外层后,可以收集神经元发出的电信号,实时数学计算。

从意念书写到电子皮肤,微型芯片如何打开仿生之门?(图3)

在KrishnaShenoy展示的电极阵列中,每个电极有100个微型电极,每个长度1.5毫米。这组电极阵列是研究领域的核心,被称为犹他电极阵列(UtahelectrodeArray)。

通过手术在人脑中打开一个小嘴,然后迅速放入电极阵列,大约在人脑表皮下1.5-2毫米处。这些电极的末端靠近个体细胞和神经元。观察其中一个电极,可以看到电压和时间脉冲。

从意念书写到电子皮肤,微型芯片如何打开仿生之门?(图4)

每次你想移动手臂,你都会从不同的神经元那里得到不同风格的反馈。

从意念书写到电子皮肤,微型芯片如何打开仿生之门?(图5)

为了准确解码人脑的神经活动,每个电极都连接到小连接器的不同面板上,连接器非常小,位于人脑之上。

从意念书写到电子皮肤,微型芯片如何打开仿生之门?(图6)

但是我们可以想象,没有这个连接器,各种活动仍然可以进行。我们可以用一个小型无线电发射器代替,就像手机中的蓝牙或WiFi装置一样,这是微芯片。

这样,头部皮肤可以保持完整,头发可以完好无损。

最后,当我们想在实验室或用户家中记录这些信号时,我们会放置一个小的信号扩展器来收集和放大这些极其微弱的信号,然后传输到计算机进行解码。

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我刚才说的完全有可能在不久的将来通过芯片实现。KrishnaShenoy说:这个领域的很多研究团队和企业都在为此努力。

由于相关机器学习和解码算法的进步,参与实验的瘫痪患者每分钟通过在人脑中想象写作生成约90个字母。

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这比以前用屏幕光标打字的速度快了一倍多,错误率从5%降到0.5%。

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今年5月,在科技顶刊Nature封面上,这样一个重要的进展,帮助失语者实现正常的交流速度。

二、表皮电子设备:芯片进入皮肤,改变健康诊断和治疗。

同样,柔性电子之父Johna.Rogers也致力于研究另一种人体芯片。

除了脑机结合,他还希望电子设备也能用于人体其他重要器官,包括心脏和皮肤。

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皮肤是人体最大的器官组织。如果电子设备能与皮肤无关,它可以在任何日常环境中继续进行健康监测,传递和监测人体多个器官和系统的神经活动。

还有一个前提:硅基芯片能像橡胶一样柔软,无创地与人体结合吗?

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今天的电子设备是基于刚性平台,即具有机械和几何特性的半导体晶片。你可以把它放在手机或电脑里,但你当然不想把它放在人们的大脑、心脏或皮肤周围。

因此,必须重建电子设备,使其像人体组织一样与人体兼容,这是Johnrogers在过去15年里一直在努力的目标。

生物软组织的所有力学特性,既有柔性,又能像橡胶一样拉伸。因此,表皮电子设备应该足够薄和有弹性。

如下图幻灯片左侧所示,对于具有或不具有电子特性的硅片,硅片上可以制作非常薄的硅带硅膜和硅线,硅片上的纳米硅带自然会变得柔软。但它仍然是硅,仍然可以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。

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看看这个幻灯片的右半部分,把这些硅带粘在软薄膜橡胶基板上,但不是按平面放置,而是做成波浪形,形成软硬组合材料。

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硅是一种活性材料,下基板具有与人体兼容的电子特性,可以拉伸、挤压、弯曲、打结,不会破坏硅材料本身,因为波浪可以随着材料的变形而变化,类似于手风琴的原理。

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硅带的形状不仅可以是波浪形的,还可以像内部相互连接的小弹簧一样。通过对这些软硬结合材料的机械量化建模,可以设计电路,提供相应的电子功能,保证机械特性能够适应皮肤。

这样,我们就有了非常薄的人造皮肤,就像临时纹身一样。它具有皮肤弹性、可拉伸性等特点。它可以放置在人体的任何部位,成为人体的一部分。

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▲像皮肤一样,但充满了临床监测水平的精密电子设备。

皮肤是自然褶皱,电子设备可以很好地适应这些褶皱,没有机械障碍,接口压力很小,在安装和去除过程中几乎不会对皮肤造成任何损害。

就像脑接口一样,你可以把这种非侵入性性可逆连接视为皮肤接口。它能准确测量各种人体健康指标,甚至达到重症监护室设备的精度水平。

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▲显微镜彩色照片:显示这些弯曲的活性电子结构如何适应表皮。

它们可以在任何日常环境中工作,监测心脏健康,准确跟踪皮肤水合作用,检测血液脉冲流,实现可穿戴设备无法实现的功能。

目前,世界各地的许多团队都在开发这样的皮肤电子设备,各种传感器都可以出现,这些传感器可以用于这些平台,有数百篇相关论文。

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通过不间断的监控,获取足够的数据,并通过机器学习进行分析,这些表皮电子设备已经开始在临床上发挥作用。

截至目前,印度巴基斯坦赞比亚肯尼亚和加纳已有约1万名婴儿和孕妇使用这些无线表皮电子设备,可全天监测重要生命体征。

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Johnroger团队还为孕妇、老年人等特定群体开发了柔性电子设备,监测其健康数据。该设备还应用于抗疫一线,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,预计一个人将来会生病,这可以作为对传统分子(实验室)方法的补充。

Johnroger认为,强大的数字设备将得到广泛应用,它是基于机器学习和数据分析,不断监控、亲肤、无不适、易于使用的。他们在最近的ScienceAdvances上发表了相关论文。

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结论:走向科技的诗与远方。

这些天才科学家正在通过解码生命的特征。他们在11月6日举行的腾讯科学WE大会上讲述了他们对未来的洞察。

这是腾讯科学WE大会举行的第九年。每年,许多长期努力的科学家站在讲台上,分享世界上各种神奇的密码。

其中,有些人仰望星空,试图解开宇宙的神秘;有些人专注于生究模拟自然的可能性。

未来会是什么样子?没有人能给出确切的答案。

但当我们倾听这些科学家的声音时,我们可以暂时忘记现实生活中的噪音,冷静下来,跟随他们的脚步,感受一个令人兴奋的知识过程。

在求知的道路上,他们坚定地探索荒野,走向科技的诗歌和距离。

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