比鹽粒還小的微型芯片未來有望改變醫學傳感器技術

對于美國布朗大學工程師領導的科學家團隊來說，一種微型芯片的發明可能帶來一項重大突破。研究小組在美國《自然·電子學》雜志上撰文，介紹了一種新穎的無線通信網絡方法，這種網絡可以從數千個微電子芯片中有效地傳輸、接收和解碼數據，而每個芯片的大小都不超過一粒鹽。

傳感器網絡的設計使芯片可以植入人體或集成到可穿戴設備中。每個亞毫米大小的硅傳感器都模仿大腦神經元通過尖峰電活動進行交流的方式。傳感器檢測到特定的尖峰事件， 然后利用無線電波實時無線傳輸數據，從而節省了能源和帶寬。

美國布朗大學博士后研究員、該研究的第一作者李繼勛說：“我們的大腦以一種非常稀疏的方式工作。神經元不會一直發射。它們壓縮數據，稀疏地發射，因此效率非常高。我們的無線通信方法就是在模仿這種結構。傳感器不會一直發送數據，它們只會在需要時發送相關數據，就像短暫的電脈沖一樣，而且它們能夠獨立于其他傳感器發送數據，無需與中央接收器協調。通過這樣做，我們可以節省大量能源，避免中央接收器中心被意義不大的數據淹沒。”

這種射頻傳輸方案還使系統具有可擴展性，并解決了當前傳感器通信網絡的一個常見問題：它們必須完全同步才能正常工作。

研究人員表示這項工作標志著大規模無線傳感器技術向前邁出了重要一步，有朝一日可能會幫助科學家們確定如何從這些小小的硅器件中收集和解讀信息，特別是由于現代科技的發展，電子傳感器已變得無處不在。

美國布朗大學工程學院教授、該研究的資深作者阿爾托· 努爾米科說：“我們生活在一個傳感器的世界里。傳感器無處不在。它們當然出現在我們的汽車里，出現在許多工作場所， 而且越來越多地進入我們的家庭。對這些傳感器來說，最苛刻的環境永遠是人體內部。”

因此，研究人員認為該系統有助于為下一代植入式和可穿戴式生物醫學傳感器奠定基礎。醫學界越來越需要高效、不顯眼、不易察覺的微型設備，這些設備還能作為大型組合的一部分運行，以繪制整個相關區域的生理活動圖。

李繼勛說：“在實際開發這種基于尖峰的無線微傳感器方面，這是一個里程碑。如果我們繼續使用傳統方法，就無法收集到這些應用在這類下一代系統中需要的高信道數據。”

傳感器所識別和傳輸的事件可以是特定的事件， 如監測環境的變化， 包括溫度波動或某些物質的存在。

傳感器之所以能夠使用如此少的能源，是因為外部收發器在傳感器傳輸數據時為其提供無線供電，這意味著傳感器只需在收發器發出的能量波范圍內就能獲得充電。這種無需插入電源或電池即可運行的能力使它們在許多不同的情況下都能方便、靈活地使用。

研究小組在計算機上設計和模擬了復雜的電子器件，并通過多次制造迭代來制造傳感器。這項工作建立在努爾米科在布朗大學實驗室先前研究的基礎上，該研究推出了一種名為“神經粒”的新型神經接口系統。該系統使用一個由微型無線傳感器組成的協調網絡來記錄和刺激大腦活動。

“這些芯片是相當復雜的微型電子設備，我們花了一段時間才做到這一點，”隸屬于美國布朗大學卡尼腦科學研究所的努爾米科說。“要定制操縱這些傳感器電子特性的幾種不同功能，它們基本上被擠壓到硅片的幾分之一毫米空間，所需的工作量和精力并不小。”

研究人員展示了他們系統的效率，以及該系統的潛在擴展能力。他們使用實驗室中的78個傳感器對系統進行了測試，發現傳感器在不同時間傳輸數據，也能準確無誤地收集和發送數據。通過模擬，他們能夠展示如何利用約8000個假定植入的傳感器，解碼從靈長類動物大腦中收集到的數據。

研究人員表示，下一步工作包括優化系統以降低功耗，以及探索神經技術以外的更廣泛應用。

李繼勛表示目前的工作提供了一種方法，我們可以在此基礎上進一步發展。（綜合整理報道）（策劃/羅媛）