從意念書(shū)寫(xiě)到電子皮膚，微型芯片如何打開(kāi)仿生之門(mén)？

作者 |  ZeR0
編輯 |  漠影
微型芯片，正成為開(kāi)啟仿生之門(mén)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(lèi)的智慧結晶接壤，或許能破解生命的奧秘。一些科學(xué)家們執著(zhù)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(chǎng)改變人類(lèi)命運的長(cháng)期求索中，有兩位天才科學(xué)家的研究工作頗具代表性。腦機接口專(zhuān)家、斯坦福大學(xué)教授、神經(jīng)假體系統轉化實(shí)驗室聯(lián)合主任Krishna Shenoy，將芯片放入人腦，通過(guò)腦機接口解讀思維，讓失語(yǔ)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(xué)院（美國國家工程院、美國國家科學(xué)院和國家醫學(xué)科學(xué)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測監控狀況。無(wú)論是腦機接口，還是柔性電子皮膚，都通過(guò)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“數字永生”再邁進(jìn)一步。
腦機接口：向大腦植入微型芯片，實(shí)現意念書(shū)寫(xiě)

大約3磅重的人腦，是世間最神秘的構造之一。如何傾聽(tīng)和讀懂大腦的語(yǔ)言，幫助有相關(guān)障礙的病患？這是Krishna Shenoy一直在探索的事。

通過(guò)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(gè)醫學(xué)體系。而微型芯片，在大腦損傷而導致某種活動(dòng)無(wú)法實(shí)現時(shí)，也許能讓失明者重見(jiàn)光明、癱瘓者恢復運動(dòng)能力。芯片就像指甲或阿司匹林****片那么大，高度定制化，能耗極低，通過(guò)神經(jīng)外科手術(shù)被植入大腦外層后，就能收集神經(jīng)元發(fā)出的電信號，并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)的數學(xué)計算。

Krishna Shenoy展示的電極陣列中，每個(gè)電極4毫米見(jiàn)方，共有100個(gè)微型電極，每個(gè)長(cháng)度1.5毫米，這組電極陣列就是該研究領(lǐng)域的核心，名為“猶他電極陣列”（Utah Electrode Array）。通過(guò)手術(shù)在大腦開(kāi)一個(gè)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(zhù)個(gè)體細胞和神經(jīng)元，觀(guān)察其中一個(gè)電極，可以看到電壓和時(shí)間脈沖。

每次你想移動(dòng)手臂的時(shí)候，你會(huì )從不同的神經(jīng)元那里獲得不同樣式的反饋。

為了對來(lái)自大腦的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行精準解碼，每個(gè)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(gè)連接器，各種活動(dòng)仍然可以進(jìn)行，我們可以用一個(gè)小型無(wú)線(xiàn)電****來(lái)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(wú)損。最后一步，當我們想要在實(shí)驗室或使用者家中記錄這些信號時(shí)，我們會(huì )放置一個(gè)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(jìn)行解碼。

“我剛才所說(shuō)的這些，完全有可能在不久的將來(lái)，通過(guò)芯片得以實(shí)現?！盞rishna Shenoy說(shuō)，“該領(lǐng)域的許多研究團隊和企業(yè)都在為此而努力?！?/span>得益于相關(guān)機器學(xué)習和解碼算法的進(jìn)步，參與實(shí)驗的癱瘓患者，通過(guò)在大腦中想象寫(xiě)字，意念操縱機器屏幕每分鐘生成大約90個(gè)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(lái)的5%降至0.5%。

如此一項幫助失語(yǔ)者實(shí)現正常速度交流的重要進(jìn)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(jìn)皮膚，改變健康診療

類(lèi)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(wú)感相連，則可以在任何日常環(huán)境下持續進(jìn)行健康監測，傳遞和監控人體多個(gè)器官和系統的神經(jīng)活動(dòng)。而這有一個(gè)前提：硅基芯片能變得像橡膠一樣柔軟，無(wú)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(xué)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(jìn)大腦里、心臟周?chē)蛘咂つw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(guò)去15年一直為之努力的目標。生物的軟組織所具有的力學(xué)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(gè)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(xiàn)，硅片上的納米級硅帶就自然會(huì )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(shí)不會(huì )破壞硅材料本身，因為波浪狀可以隨著(zhù)材料的變形而改變，這就和手風(fēng)琴的原理類(lèi)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(guò)對這些軟硬結合材料進(jìn)行力學(xué)量化建模，就可以設計電路來(lái)提供相應的電子功能，同時(shí)確保力學(xué)特性可以和皮膚相適應。這樣，我們就有了非常薄、像臨時(shí)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。

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(wú)力學(xué)阻礙，接口處的壓力微乎其微，在安裝和移除的過(guò)程中幾乎不會(huì )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，乃至達到重癥監護室設備的精度級別。

它們能在任何日常環(huán)境下工作，可用來(lái)監測心臟健康、精確跟蹤皮膚的水合作用、檢測血液脈沖流等，實(shí)現目前可穿戴設備無(wú)法實(shí)現的功能。目前全球多個(gè)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(wèn)世，這些傳感器都可以用于這些平臺，相關(guān)的論文有幾百篇。

通過(guò)不間斷地進(jìn)行監測，獲取足夠數量的數據，并通過(guò)機器學(xué)習來(lái)加以分析，這些表皮電子設備已經(jīng)開(kāi)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(jīng)有約1萬(wàn)名嬰兒和孕婦使用了這些無(wú)線(xiàn)表皮電子設備，能獲取全天重要生命體征監測。

John Roger團隊也分別針對孕婦、老年人等特定群體開(kāi)發(fā)了柔性電子設備，來(lái)監測其健康數據。其設備還被應用在抗疫一線(xiàn)，通過(guò)監測咳嗽和呼吸，來(lái)監測新冠肺炎患者的健康狀況。有了各種監測數據，未來(lái)，還有望確定一個(gè)人是否患病，這可以作為對傳統分子（化驗）方法的補充。John Roger相信，強大的數字設備會(huì )得以廣泛應用，這種設備是持續監測的、親膚的、沒(méi)有不適感的、簡(jiǎn)單易用的，它基于機器學(xué)習和數據分析。他們在近期的Science Advances上發(fā)表了相關(guān)論文。

結語(yǔ)：走向科技的詩(shī)與遠方

這些天才科學(xué)家們，正通過(guò)解碼生命的特征。他們在11月6日舉辦的騰訊科學(xué)WE大會(huì )上，講述他們所洞察的未來(lái)。這是騰訊科學(xué)WE大會(huì )舉辦的第9年，每一年，都有許多位久久為功的科學(xué)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(lái)會(huì )是什么樣的？沒(méi)有人能給出確切的答案。但當聆聽(tīng)這些科學(xué)家們的聲音時(shí)，我們可以短暫地忘記現實(shí)生活中的雜音，靜下心來(lái)，跟隨他們的腳步，去感受一段激動(dòng)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(shī)與遠方。