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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。
01.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药片那么大，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发射器来替代，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。”Krishna Shenoy说，“该领域的许多研究团队和企业都在为此而努力。”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。
02.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，则可以在任何日常环境下持续进行健康监测，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。
▲像皮肤一样，但布满达到临床监测级别的精密电子设备。
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。
▲显微镜彩色照片：显示了这些弯曲的活性电子结构如何适应表皮。
它们能在任何日常环境下工作，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。
03.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。
作者 | ZeR0
编辑 | 漠影
