設置
  • 日夜間
    隨系統(tǒng)
    淺色
    深色
  • 主題色

從意念書寫到電子皮膚,科學家用微型芯片打開仿生之門

智東西 2021/11/12 20:20:02 責編:問舟

腦機接口、皮膚接口,微型芯片正為醫(yī)療健康開辟新路。

微型芯片,正成為開啟仿生之門的鑰匙

人腦擁有地球生物中最復雜的結構,芯片是各種電子設備的核心,當自然的精妙之作與人類的智慧結晶接壤,或許能破解生命的奧秘。

一些科學家們執(zhí)著于此。他們突破固有思維,探索人體的特征,嘗試將芯片植入大腦、皮膚,以此解析生命信號的更多可能。

在這場改變人類命運的長期求索中,有兩位天才科學家的研究工作頗具代表性。

腦機接口專家、斯坦福大學教授、神經假體系統(tǒng)轉化實驗室聯(lián)合主任 Krishna Shenoy,將芯片放入人腦,通過腦機接口解讀思維,讓失語者重新具備表達的能力。

“柔性電子之父”John A. Rogers 是少有的入選美國所有國家科學院(美國國家工程院、美國國家科學院和國家醫(yī)學科學院)的天才人物,他設計出能連接皮膚的電子設備,可以精確測量各種人體指標,甚至能輔助新冠患者監(jiān)測監(jiān)控狀況。

無論是腦機接口,還是柔性電子皮膚,都通過研發(fā)對人體友好的新型計算機芯片,在為生命傳遞更多科技的溫度,向“數(shù)字永生”再邁進一步。

腦機接口:向大腦植入微型芯片,實現(xiàn)意念書寫

大約 3 磅重的人腦,是世間最神秘的構造之一。

如何傾聽和讀懂大腦的語言,幫助有相關障礙的病患?這是 Krishna Shenoy 一直在探索的事。

通過連接大腦去幫助有其它疾病或損傷的患者,有可能徹底改變整個醫(yī)學體系。

而微型芯片,在大腦損傷而導致某種活動無法實現(xiàn)時,也許能讓失明者重見光明、癱瘓者恢復運動能力。

芯片就像指甲或阿司匹林藥片那么大,高度定制化,能耗極低,通過神經外科手術被植入大腦外層后,就能收集神經元發(fā)出的電信號,并對其進行實時的數(shù)學計算。

Krishna Shenoy 展示的電極陣列中,每個電極 4 毫米見方,共有 100 個微型電極,每個長度 1.5 毫米,這組電極陣列就是該研究領域的核心,名為“猶他電極陣列”(Utah Electrode Array)。

通過手術在大腦開一個小口,然后快速地放入電極陣列,大概在大腦表皮以下 1.5-2 毫米處,這些電極的末梢緊挨著個體細胞和神經元,觀察其中一個電極,可以看到電壓和時間脈沖。

每次你想移動手臂的時候,你會從不同的神經元那里獲得不同樣式的反饋。

為了對來自大腦的神經活動進行精準解碼,每個電極都接通至小型連接器的不同面板上,連接器非常小且位于大腦之上。

但我們可以想象一下不用這個連接器,各種活動仍然可以進行,我們可以用一個小型無線電發(fā)射器來替代,就像手機中的藍牙或者 WiFi 裝置,這就是微型芯片。

這樣頭部皮膚能保持完整,頭發(fā)可以完好無損。

最后一步,當我們想要在實驗室或使用者家中記錄這些信號時,我們會放置一個小型的信號擴大器,收集并放大這些極其微弱的信號,然后傳輸至電腦中進行解碼。

“我剛才所說的這些,完全有可能在不久的將來,通過芯片得以實現(xiàn)?!盞rishna Shenoy 說,“該領域的許多研究團隊和企業(yè)都在為此而努力?!?/p>

得益于相關機器學習和解碼算法的進步,參與實驗的癱瘓患者,通過在大腦中想象寫字,意念操縱機器屏幕每分鐘生成大約 90 個字母。

這比此前用屏幕光標打字的速度快了 1 倍多,錯誤率從原來的 5% 降至 0.5%。

如此一項幫助失語者實現(xiàn)正常速度交流的重要進展,在今年 5 月登上科技頂刊 Nature 的封面。

表皮電子設備:芯片走進皮膚,改變健康診療

類似的,“柔性電子之父”John A. Rogers 也致力于研究另一種“人體芯片”。

除了腦機結合外,他希望電子設備也能夠用于人體的其它重要器官,包括心臟、皮膚。

皮膚是最大的人體器官組織,如果能將電子設備與皮膚無感相連,則可以在任何日常環(huán)境下持續(xù)進行健康監(jiān)測,傳遞和監(jiān)控人體多個器官和系統(tǒng)的神經活動。

而這有一個前提:硅基芯片能變得像橡膠一樣柔軟,無創(chuàng)地與人體結合嗎?

當今的電子設備都基于剛性平臺,也就是具有機械和幾何學特性的半導體晶片,你可以把它放在手機或電腦中,但你肯定不希望把這玩意塞進大腦里、心臟周圍或者皮膚上。

因此,必須重新構建電子設備,讓它像人體組織一樣與人體兼容,這是 John Rogers 過去 15 年一直為之努力的目標。

生物的軟組織所具有的力學特性,既有柔性,還要能像橡膠一樣拉伸。所以,表皮電子設備既要夠薄,又要有彈性。

如下圖幻燈片左邊所示,對于一個具有或不具有電子特性的硅片,可以在硅片上做出非常薄的硅帶硅薄膜和硅線,硅片上的納米級硅帶就自然會變得柔軟。但它仍是硅,仍可被賦予高水平的電子性能,從而制造出可彎曲的精密電子設備。

再看這張幻燈片的右半部分,把這些硅帶粘在柔軟的薄膜橡膠基片上,但并不是按平面放置,而是做成波浪形,形成一種軟硬組合材料。

硅是活性材料,下邊的基片具有與人體兼容的電子特性,這樣就可以拉伸擠壓彎曲和打結,同時不會破壞硅材料本身,因為波浪狀可以隨著材料的變形而改變,這就和手風琴的原理類似。

硅帶的形狀不僅可以是波浪形,也可以像內部彼此連接的小彈簧,通過對這些軟硬結合材料進行力學量化建模,就可以設計電路來提供相應的電子功能,同時確保力學特性可以和皮膚相適應。

這樣,我們就有了非常薄、像臨時紋身般的人造皮膚。它具有皮膚的彈性、可拉伸性等特性,能置于人體任何部位的表皮,成為人體的一部分。

▲ 像皮膚一樣,但布滿達到臨床監(jiān)測級別的精密電子設備。

皮膚是自然褶皺的,而電子設備能很好地適應這些褶皺,毫無力學阻礙,接口處的壓力微乎其微,在安裝和移除的過程中幾乎不會對皮膚造成任何損害。

就像腦機接口一樣,你可以將這種非侵入式的可逆連接看作皮膚接口。它能精確測量各種人體健康指標,乃至達到重癥監(jiān)護室設備的精度級別。

▲ 顯微鏡彩色照片:顯示了這些彎曲的活性電子結構如何適應表皮。

它們能在任何日常環(huán)境下工作,可用來監(jiān)測心臟健康、精確跟蹤皮膚的水合作用、檢測血液脈沖流等,實現(xiàn)目前可穿戴設備無法實現(xiàn)的功能。

目前全球多個團隊都在研發(fā)這樣的皮膚電子設備,各種不同的傳感器得以問世,這些傳感器都可以用于這些平臺,相關的論文有幾百篇。

通過不間斷地進行監(jiān)測,獲取足夠數(shù)量的數(shù)據,并通過機器學習來加以分析,這些表皮電子設備已經開始在臨床發(fā)揮作用。

在印度巴基斯坦贊比亞肯尼亞和加納,截至目前,已經有約 1 萬名嬰兒和孕婦使用了這些無線表皮電子設備,能獲取全天重要生命體征監(jiān)測。

John Roger 團隊也分別針對孕婦、老年人等特定群體開發(fā)了柔性電子設備,來監(jiān)測其健康數(shù)據。其設備還被應用在抗疫一線,通過監(jiān)測咳嗽和呼吸,來監(jiān)測新冠肺炎患者的健康狀況。

有了各種監(jiān)測數(shù)據,未來,還有望確定一個人是否患病,這可以作為對傳統(tǒng)分子(化驗)方法的補充。

John Roger 相信,強大的數(shù)字設備會得以廣泛應用,這種設備是持續(xù)監(jiān)測的、親膚的、沒有不適感的、簡單易用的,它基于機器學習和數(shù)據分析。他們在近期的 Science Advances 上發(fā)表了相關論文。

走向科技的詩與遠方

這些天才科學家們,正通過解碼生命的特征。他們在 11 月 6 日舉辦的騰訊科學 WE 大會上,講述他們所洞察的未來。

每一年,都有許多位久久為功的科學家們站到演講臺上,分享大千世界的各種神奇密碼。他們中,有人仰望星空,試圖破解宇宙的玄妙;有人聚焦生命,鉆研模擬自然的可能。未來會是什么樣的?沒有人能給出確切的答案。

但當聆聽這些科學家們的聲音時,我們可以短暫地忘記現(xiàn)實生活中的雜音,靜下心來,跟隨他們的腳步,去感受一段激動人心的求知歷程。在求知路上,他們正篤定地探尋曠野,走向科技的詩與遠方。

廣告聲明:文內含有的對外跳轉鏈接(包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式),用于傳遞更多信息,節(jié)省甄選時間,結果僅供參考,IT之家所有文章均包含本聲明。

相關文章

軟媒旗下網站: IT之家 最會買 - 返利返現(xiàn)優(yōu)惠券 iPhone之家 Win7之家 Win10之家 Win11之家

軟媒旗下軟件: 軟媒手機APP應用 魔方 最會買 要知