科研資訊

國產(chǎn)FORBID熒光光電微生物檢測儀問世

海南大學南海海洋資源利用國家重點實驗室萬逸研究員帶領的海洋微生物傳感團隊研究設計了一款FORBID熒光光電微生物檢測儀，其病原微生物檢測方法能夠與傳統(tǒng)國標方法媲美，微生物在1 cfu/mL濃度的精確度可以達到90%，極大限度地降低操作復雜度，同時節(jié)約近60%人工成本。對于病原微生物的檢測，它可根據(jù)檢測量自由組合通道數(shù)，最多可同時得到256個結(jié)果，工作效率走在國際前沿。

為了突破病原微生物快速檢測的技術(shù)瓶頸，研究團隊自主創(chuàng)新了多項關鍵技術(shù)，闡明CRISPR-Cas酶快速病原診斷的新型傳感機制、酶底物病原診斷在水質(zhì)微生物快速診斷中應用機制，成功開發(fā)不同微生物生長的最適培養(yǎng)基，對病原微生物快速檢測方面如虎添翼。

FORBID熒光光電微生物檢測儀的出現(xiàn)打破了微生物診斷儀的商品化和實驗室中微生物檢測技術(shù)存在技術(shù)轉(zhuǎn)化壁壘，并且很好地解決當前國際上微生物商業(yè)檢測技術(shù)和工具存在的體積比較大、無法便攜式攜帶以及復雜的分析測量操作等痛點問題。

該FORBID熒光光電微生物檢測儀結(jié)合實驗室優(yōu)化的檢測方法，以海洋病原微生物為靶標，通過實現(xiàn)海洋微生物快速檢測為目的，將生物分析、微電子、結(jié)構(gòu)電子工程等多學科深度交叉融合，開創(chuàng)性地解決了一系列有關海洋微生物快速檢測相關難題，實現(xiàn)了從“理論”到“實踐”、從“普遍性”到“特異性”、從“間接”到“直接”、從“多步”到“一步”的跨越。相關成果發(fā)表在《化學綜述》上。

德國科學家開發(fā)用于高分辨率熱映射的印刷式溫度傳感器陣列

德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）和斯圖加特大學（University of Stuttgart）的研究人員開發(fā)出一款無源溫度傳感器陣列。這款傳感器陣列由兩個獨立的銀電極組成，它們夾在一層由聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）組成的傳感材料中。這為空間溫度讀數(shù)帶來了相當高的傳感器密度，同時還保持了較小的陣列尺寸。2022年8月20日，這項研究發(fā)表在Scientific Reports上。

這款無源溫度傳感器陣列有效解決了溫度傳感廣泛應用的主要障礙，并且，為實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)快速準確的解釋，經(jīng)過訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡（NN）被用于溫度預測，成功地解決了相鄰傳感器像素之間的潛在串擾問題。研究人員使用特殊印刷的銀質(zhì)微加熱器結(jié)構(gòu)研究空間溫度分辨率，最終達到1.22 ℃的相當高的空間溫度預測精度。

研究人員提出了一款基于傳感器材料PEDOT:PSS的新型全絲網(wǎng)印刷式無源溫度傳感器陣列。后者嵌入在兩個銀電極之間。這款溫度傳感器陣列的“三明治”設計實現(xiàn)了高傳感器密度——1平方厘米面積集成100個傳感器像素。這款溫度傳感器陣列在20 ℃至90 ℃之間能成功且可靠地運行。兩種特性的結(jié)合使這款溫度傳感器陣列具有非常誘人的前景，不僅適用于醫(yī)療保健應用、機器人技術(shù)和電子皮膚，還適用于電子設備和集成電路（IC），尤其是處理器芯片的溫度監(jiān)測。這款溫度傳感器陣列印刷在100 μm厚的柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）襯底上，使其適用于不同的用例和不同形狀的表面，即按照人體指尖的曲率，提供類似于人體手指彎曲的靈活性。

新加坡科學家開發(fā)新型防跌倒機器人

新加坡南洋理工大學（NTU）和陳篤生醫(yī)院的科學家們開發(fā)了一種移動機器人平衡助手MRBA（Mister Bah），它可以對老年人跌倒作出預判，并在老年人倒地之前“扶住”他們。MRBA由一個有輪子的電池供電的底座組成，該底座連接到佩戴在用戶臀部周圍的軟墊背帶上。

當用戶在家里或其他環(huán)境中散步時，MRBA機器人會跟在他們后面。利用深度感應相機和其他傳感器，機器人能夠檢測到表明用戶突然失去平衡的提示性動作，進而做出反應，停止并將安全帶固定在原地，使佩戴者不至于摔倒。

該機器人還能識別故意的動作，如與坐下、起身和站立有關的動作。在所有情況下，它都會提供相應的協(xié)助。除了在用戶的日常生活中提供幫助外，該機器人還可用于康復醫(yī)學，在佩戴者學習重新行走時將他們扶起來。在測試中，29名患有中風、腦外傷和脊髓損傷的志愿者在3天時間內(nèi)使用了MRBA。事實證明，該設備對日?；顒雍苡袔椭?，在整個測試期間，沒有任何參與者有跌倒的記錄。

科研團隊希望該技術(shù)在明年實現(xiàn)商業(yè)化。

中國科大實現(xiàn)皮特斯拉級NV色心量子傳感器

中國科學技術(shù)大學中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等人基于NV色心量子傳感器實現(xiàn)了皮特斯拉（pT）水平的高靈敏微波磁場測量，相比此前該體系實現(xiàn)的亞微特斯拉指標水平，測量靈敏度提升了近十萬倍。2022年8月10日，相關成果以“帶有金剛石傳感器的微波場皮特斯拉磁力測量”為題，發(fā)表在《科學進展》期刊上。

此次實驗中，團隊提出了“連續(xù)外差探測方法”，通過引入適度的和略微失諧的參考微波來增強弱微波的吸收：在532納米激光器的照射下，持續(xù)應用的參考微波會干擾信號微波，導致NV光致發(fā)光（photoluminescence）的振蕩。值得注意的是，實驗過程中所需的參考微波強度僅為200 nT，頻率分辨率為1/t，在t=10,000 s時為0.1 mHz。這一方法適用于制造更大的金剛石傳感器，進一步提高靈敏度的同時，也極大地促進了其實際應用。

此次實驗中，團隊通過引入適度的輔助微波顯著改善了NV色心對弱場的響應，證明了即使在沒有自旋控制的情況下，NV色心也可以用作微波磁力計的高靈敏度傳感器。除此之外，實驗組還將該方案應用于承載NV色心集合的金剛石，實現(xiàn)了0.28 pT的最小可檢測微波場和0.1 mHz的頻率分辨率。這種金剛石設備可以在極端條件下工作，例如高溫或高壓環(huán)境；同時，得益于這一方案的簡單性，測量結(jié)果可以直接在更大的傳感器上重現(xiàn)，從而進一步提高靈敏度。例如，如果鉆石具有與光電二極管相似的尺寸（10 mm×10 mm×1 mm），那么靈敏度可以直接提升到飛特斯拉（1 pT=1 e+30 fT）級別。因此，這一工作為金剛石傳感器的實際應用鋪平了道路，例如雷達中的微波接收器、無線通信，甚至是射電望遠鏡等。

德國開發(fā)新傳感器可提前17年檢測阿爾茨海默病

德國波鴻魯爾大學一個研究小組發(fā)現(xiàn)，有可能在任何外在癥狀開始出現(xiàn)前17年就在血液中檢測出阿爾茨海默病。這是通過使用該團隊開發(fā)的免疫紅外傳感器實現(xiàn)的。該傳感器檢測蛋白質(zhì)生物標志物β-淀粉樣蛋白的錯誤折疊。隨著病情的發(fā)展，這種錯誤折疊會在大腦中形成獨特的沉積物，被稱為斑塊。該團隊最近在《阿爾茨海默病與癡呆：阿爾茨海默病協(xié)會雜志》上發(fā)表了用免疫紅外傳感器獲得的結(jié)果。

研究人員分析了在薩爾州進行的ESTHER研究參與者的血漿，以尋找潛在的阿爾茨海默病生物標志物。血液樣本在2000年和2002年之間被收集和冷凍。測試參與者當時的年齡在50至75歲之間，尚未被診斷出患有阿爾茨海默病。目前的研究將在17年的隨訪中被診斷為阿爾茨海默病的68人與240名沒有得到這種診斷的對照對象進行比較。研究人員想看看在研究開始時是否能從血液樣本中檢測出阿爾茨海默病癥狀。免疫紅外傳感器正確識別了68名最終患上阿爾茨海默病的測試者。

波鴻魯爾大學的研究人員希望，基于β-淀粉樣蛋白錯誤折疊的早期診斷可以使阿爾茨海默病藥物在早期階段使用，從而產(chǎn)生更大的影響，例如，最近在美國獲批的藥物Aduhelm。

盡管該傳感器仍在開發(fā)中，但該技術(shù)已經(jīng)獲得了專利。BetaSENSE的目標是將免疫紅外傳感器商業(yè)化，并使其被批準為診斷設備，以便在臨床實驗室中使用。

日本科學家開發(fā)出遙控機器人蟑螂

日本理化學研究所（RIKEN）的研究人員開發(fā)了一種遙控機器人蟑螂。該系統(tǒng)配備微型無線控制模塊，由可充電的薄膜太陽能電池供電。盡管具有機械裝置，但超薄的電子設備和柔性材料可以使這種機器人昆蟲自由移動。研究人員于2022年9月5日在科學期刊《npj-柔性電子》上發(fā)布了這個結(jié)果。這一研究成果將有助于使機器人昆蟲的應用成為現(xiàn)實。

研究小組對長約6厘米（2.4英寸）的馬達加斯加蟑螂進行了實驗。他們使用專門設計的背包將腿部無線控制模塊和鋰聚合物電池安裝到機器人蟑螂上半身后背上。這是根據(jù)蟑螂模型的身體建模并采用彈性聚合物進行3D打印的，就像是完美貼合蟑螂后背曲線的一個背包，使剛性電子設備能夠穩(wěn)定地安裝在機器人蟑螂身上。

機器人蟑螂采用0.004 mm厚的超薄有機太陽能電池模塊供電。Fukuda表示，“安裝在蟑螂身體上的超薄有機太陽能電池模塊實現(xiàn)了17.2 mW的功率輸出，是目前最先進的昆蟲能量收集裝置的功率輸出的50倍以上?！?/p>

研究人員將這些組件與刺激腿部運動的電線一起整合到蟑螂體內(nèi)，并對其進行了測試。太陽能電池采用模擬的陽光充電30分鐘，便可以采用無線遙控器讓它左右移動。

Fukuda說：“考慮到機器人蟑螂胸部和腹部在基本運動過程中的變形，其胸部采用的剛性和柔性元件的混合電子系統(tǒng)與腹部的超軟裝置似乎是機器人蟑螂的一種有效設計。此外，由于腹部變形并不是蟑螂所獨有的功能，我們的策略可以將這些技術(shù)用于其他昆蟲（例如甲蟲），甚至未來可能會創(chuàng)造類似蟬這樣會飛的昆蟲?！?/p>

美國研發(fā)可發(fā)光的微型飛行機器人

美國麻省理工學院（MIT）科研人員受到螢火蟲的啟發(fā)，研制了形似昆蟲的飛行機器人，在飛行時可以發(fā)光，從而實現(xiàn)運動跟蹤和通信。相關研究近日發(fā)表在《IEEE機器人和自動化通訊》（IEEE Robotics and Automation Letters）上。

這種微型飛行機器人“閃電蟲”利用電致發(fā)光的軟質(zhì)人工肌肉控制翅膀進行飛行，并在飛行時發(fā)出彩光。這種電致發(fā)光可以使機器人相互溝通。例如，被派往坍塌建筑物中執(zhí)行搜救任務時，發(fā)現(xiàn)幸存者的機器人可以用燈光發(fā)出信號并呼救。依靠其發(fā)光能力，這些微型機器人還有可能實現(xiàn)實驗室外自主飛行，研究者可以利用智能手機攝像頭來進行精確的戶外追蹤。研究人員稱，這項工作為戶外環(huán)境中的先進運動跟蹤系統(tǒng)邁出的重要一步。