从意念书写到电子皮肤，科学家用微型芯片打开仿生之门

脑机接口，皮肤接口，微型芯片正为医疗健康开辟新路。

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。本杰明米多；李斯特1968年出生于德国法兰克福。

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。

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。

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。

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。他于1997年获得法兰克福大学博士学位。

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，因为波浪状可以伴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。目前是德国马克斯普朗克煤炭研究所研究员。。

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

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

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

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（编辑：牧晓）