從意念書寫到電子皮膚，微型芯片如何打開仿生之門？

腦機(jī)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)，芯片是各種電子設(shè)備的核心，當(dāng)自然的精妙之作與人類的智慧結(jié)晶接壤，或許能破解生命的奧秘。一些科學(xué)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(hào)的更多可能。

在這場(chǎng)改變?nèi)祟惷\(yùn)的長(zhǎng)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(jī)接口專家、斯坦福大學(xué)教授、神經(jīng)假體系統(tǒng)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合主任Krishna Shenoy，將芯片放入人腦，通過腦機(jī)接口解讀思維，讓失語(yǔ)者重新具備表達(dá)的能力。

“柔性電子之父”John A. Rogers是少有的入選美國(guó)所有國(guó)家科學(xué)院（美國(guó)國(guó)家工程院、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院和國(guó)家醫(yī)學(xué)科學(xué)院）的天才人物，他設(shè)計(jì)出能連接皮膚的電子設(shè)備，可以精確測(cè)量各種人體指標(biāo)，甚至能輔助新冠患者監(jiān)測(cè)監(jiān)控狀況。無(wú)論是腦機(jī)接口，還是柔性電子皮膚，都通過研發(fā)對(duì)人體友好的新型計(jì)算機(jī)芯片，在為生命傳遞更多科技的溫度，向“數(shù)字永生”再邁進(jìn)一步。

01.腦機(jī)接口：向大腦植入微型芯片，實(shí)現(xiàn)意念書寫

大約3磅重的人腦，是世間最神秘的構(gòu)造之一。如何傾聽和讀懂大腦的語(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(yī)學(xué)體系。而微型芯片，在大腦損傷而導(dǎo)致某種活動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，也許能讓失明者重見光明、癱瘓者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)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(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(hào)，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)學(xué)計(jì)算。

Krishna Shenoy展示的電極陣列中，每個(gè)電極4毫米見方，共有100個(gè)微型電極，每個(gè)長(zhǎng)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）。通過手術(shù)在大腦開一個(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個(gè)體細(xì)胞和神經(jīng)元，觀察其中一個(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(duì)來自大腦的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)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)線電發(fā)射器來替代，就像手機(jī)中的藍(lán)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(dāng)我們想要在實(shí)驗(yàn)室或使用者家中記錄這些信號(hào)時(shí)，我們會(huì)放置一個(gè)小型的信號(hào)擴(kuò)大器，收集并放大這些極其微弱的信號(hào)，然后傳輸至電腦中進(jìn)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(shí)現(xiàn)。”Krishna Shenoy說，“該領(lǐng)域的許多研究團(tuán)隊(duì)和企業(yè)都在為此而努力。”得益于相關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)和解碼算法的進(jìn)步，參與實(shí)驗(yàn)的癱瘓患者，通過在大腦中想象寫字，意念操縱機(jī)器屏幕每分鐘生成大約90個(gè)字母。

這比此前用屏幕光標(biāo)打字的速度快了1倍多，錯(cuò)誤率從原來的5%降至0.5%。

如此一項(xiàng)幫助失語(yǔ)者實(shí)現(xiàn)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。

02.表皮電子設(shè)備：芯片走進(jìn)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(jī)結(jié)合外，他希望電子設(shè)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(shè)備與皮膚無(wú)感相連，則可以在任何日常環(huán)境下持續(xù)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，傳遞和監(jiān)控人體多個(gè)器官和系統(tǒng)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(jié)合嗎？

當(dāng)今的電子設(shè)備都基于剛性平臺(tái)，也就是具有機(jī)械和幾何學(xué)特性的半導(dǎo)體晶片，你可以把它放在手機(jī)或電腦中，但你肯定不希望把這玩意塞進(jìn)大腦里、心臟周圍或者皮膚上。因此，必須重新構(gòu)建電子設(shè)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(biāo)。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(shè)備既要夠薄，又要有彈性。如下圖幻燈片左邊所示，對(duì)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，硅片上的納米級(jí)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(shè)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(jié)，同時(shí)不會(huì)破壞硅材料本身，因?yàn)椴ɡ藸羁梢噪S著材料的變形而改變，這就和手風(fēng)琴的原理類似。

硅帶的形狀不僅可以是波浪形，也可以像內(nèi)部彼此連接的小彈簧，通過對(duì)這些軟硬結(jié)合材料進(jìn)行力學(xué)量化建模，就可以設(shè)計(jì)電路來提供相應(yīng)的電子功能，同時(shí)確保力學(xué)特性可以和皮膚相適應(yīng)。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。

▲像皮膚一樣，但布滿達(dá)到臨床監(jiān)測(cè)級(jí)別的精密電子設(shè)備。

皮膚是自然褶皺的，而電子設(shè)備能很好地適應(yīng)這些褶皺，毫無(wú)力學(xué)阻礙，接口處的壓力微乎其微，在安裝和移除的過程中幾乎不會(huì)對(duì)皮膚造成任何損害。就像腦機(jī)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(cè)量各種人體健康指標(biāo)，乃至達(dá)到重癥監(jiān)護(hù)室設(shè)備的精度級(jí)別。

▲顯微鏡彩色照片：顯示了這些彎曲的活性電子結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)表皮。

它們能在任何日常環(huán)境下工作，可用來監(jiān)測(cè)心臟健康、精確跟蹤皮膚的水合作用、檢測(cè)血液脈沖流等，實(shí)現(xiàn)目前可穿戴設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。目前全球多個(gè)團(tuán)隊(duì)都在研發(fā)這樣的皮膚電子設(shè)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(tái)，相關(guān)的論文有幾百篇。

通過不間斷地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)來加以分析，這些表皮電子設(shè)備已經(jīng)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(jīng)有約1萬(wàn)名嬰兒和孕婦使用了這些無(wú)線表皮電子設(shè)備，能獲取全天重要生命體征監(jiān)測(cè)。

John Roger團(tuán)隊(duì)也分別針對(duì)孕婦、老年人等特定群體開發(fā)了柔性電子設(shè)備，來監(jiān)測(cè)其健康數(shù)據(jù)。其設(shè)備還被應(yīng)用在抗疫一線，通過監(jiān)測(cè)咳嗽和呼吸，來監(jiān)測(cè)新冠肺炎患者的健康狀況。有了各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，未來，還有望確定一個(gè)人是否患病，這可以作為對(duì)傳統(tǒng)分子（化驗(yàn)）方法的補(bǔ)充。John Roger相信，強(qiáng)大的數(shù)字設(shè)備會(huì)得以廣泛應(yīng)用，這種設(shè)備是持續(xù)監(jiān)測(cè)的、親膚的、沒有不適感的、簡(jiǎn)單易用的，它基于機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)分析。他們?cè)诮诘腟cience Advances上發(fā)表了相關(guān)論文。

03.結(jié)語(yǔ)：走向科技的詩(shī)與遠(yuǎn)方

這些天才科學(xué)家們，正通過解碼生命的特征。他們?cè)?1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。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(tái)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(huì)是什么樣的？沒有人能給出確切的答案。但當(dāng)聆聽這些科學(xué)家們的聲音時(shí)，我們可以短暫地忘記現(xiàn)實(shí)生活中的雜音，靜下心來，跟隨他們的腳步，去感受一段激動(dòng)人心的求知?dú)v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(yuǎn)方。

作者 |  ZeR0

編輯 |  漠影