生物电子学开启人机结合新纪元
2013年06月11日
作者：段歆涔
来源：中国科学报
半知半解半机械人
生物电子学开启人机结合新纪元
半机械人的时代已经到来。生物学家、材料学家以及纳米技术专家正携手共进、攻克难关。
图片来源：SOMEYA-SEKITANI GROUP/东京大学
John Rogers看上去不像是一个半机器人，但实际上他的改造已经开始。Rogers是美国伊利诺伊大学香槟分校的材料学家，在最近的一场于旧金山召开的讨论会上，他进行了一场演讲。演讲过程中他取出一个与投影仪连接的类似钢笔的显微镜，并对准自己的前臂，观众这时才发现他的表层皮肤崎岖不平，伴有弯弯曲曲的线路和方形衬垫，与常人大不相同。这些线与衬垫是回路阵列的组成部分，与笔记本电脑或手机内常见的Intel和ARM处理器不同的是，Rogers展示的设备只有邮票大小，柔韧、可伸缩、近乎透明，且与他的手臂完美地结合在一起。
科幻成真
Rogers将这种密切接触解释为有助于他的团队利用柔韧的电路去监控人的体温、心率和血压，并且通过无线方式将数据传输到电脑中。《科学》杂志称，他的团队还可以利用类似的阵列来追踪手臂的移动轨迹，实现徒手操控直升机玩具。Rogers成立了一家名为MC10的公司，他与美国篮球联盟和美国国家橄榄球联盟的明星，例如Grant Hill和Matt Hasselbeck展开合作，利用新开发的技术，监控运动对头部的影响。Rogers说：“能与明星合作感觉非常酷，因为这令10岁的儿子更加崇拜我。”
新技术非常惊艳，但这只是前奏。Rogers和团队其他成员在材料研究协会的会议上展示的其他设备的功能更加超乎想象。例如在动物测试中，类似保鲜膜的电路覆盖在目标心脏上，不仅可以独立追踪每个心房的活动，还能释放可以杀死小片组织的热量脉冲来模拟潜在的心率失常。另外，其他阵列可以穿透大脑组织，监控癫痫症发作时失常的神经活动，或诱导老鼠大脑中的基因表达并追踪研究结果，有助于发育生物学的研究。某个团队甚至制作出了一只拥有软骨细胞的3D仿生耳朵，既可以畅听贝多芬的《致爱丽丝》，又可以听到人类本来无法听到的超声波。
半机械人的时代已经到来。生物学家、材料学家以及纳米技术专家正携手共进、攻克难关。美国劳伦斯利物莫国家实验室兼加州大学默塞德分校的生物纳米技术专家Aleksandr Noy说：“我将它视作一场细胞、组织和电路之间不间断的连接。”目前，绝大部分的同类研究专注于如何为病人提供更优质的卫生保健服务以及更高质量的生活。
Noy说：“几年前这种事情还属于科学幻想范畴，而现在我们就要看到实际的设备和应用系统了。”斯坦福大学有机电子学专家Zhenan Bao补充道：“竞争非常激烈。”
超越极限
制造出融合人或融合机器的想法一直吸引着人类为之探索。Rogers指出，在过去的一个世纪里，研究者为能够利用电子设备测量或改变生物活动付出了无数努力。通过改变金属电极形状，研究者已经制造出了绑在皮肤上即可绘制出心电图的设备。他们还设计出可以插入脑组织，干扰脑神经放电模式的大脑激励器，用以治疗由帕金森氏症引起的虚弱颤抖。此外，科学家还发明了人工电子耳蜗，可以将声音信号转换为电子脉冲，进而被内耳识别。
不过，上述技术还很原始，不能满足人们的需求：这些坚硬的设备只能或绑在或粘在，甚至插在皮肤上。为此，科学家着手研制各种能够模仿皮肤柔软性的电子仪器——大到可见设备，小到可以被安置在单个细胞上的电子器件。
首先，从可见设备角度来说，普林斯顿大学机械工程师Michael McAlpine及其同事于5月1日在《纳米快报》上报道了他们利用3D打印机制造的世界上第一个功能器官——仿生耳。该仿生耳可以接收声波以及超声波信号。“我们试图了解人类的感官到底能否拥有此前不具备的超级功能。”McAlpine说。
McAlpine团队的“打印墨水”由3种材料组成：纯硅树脂、掺有纳米银粒子的硅树脂，以及能够产生软骨组织，并且添加有促进剂的软骨细胞。此前，曾有许多研究团队利用3D打印机制造出了各种组织，但是这些被“打印”出来的组织只能起到与脚手架类似的支撑作用。而McAlpine团队在仿生耳中添加了一个金属线圈，用以接收声音信号，并将声音信号转换成内耳可识别的电子脉冲。不仅如此，这个线圈还可以接收只有猫、狗才可以听到的超声波信号。
另一个可见设备是具有触觉、能够感受温度并带有化学传感器的电子皮肤。这种皮肤将来有可能被安装在假肢上面，让使用者能够重新感知和触摸周围的环境。如果被安装在机器人身上，其还能给予机器人一种全新的感知能力。
此前，学界认为，几乎所有的固体有机物均为绝缘体，这也就是说，它们不能导电。但是，上世纪七八十年代，研究者发现通过改变某些有机物的结构，可以使它们变为导体或半导体。后者能够接通或切断电流，是组成晶体管等设备的关键材料。这一发现打开了研制具有柔软、灵活衬底的电子器件的大门。到2000年左右，研究者已经成功研制出一系列廉价的相关设备。
在过去的数年中，许多科研团队研制出了一系列拥有触觉和温度传感器的柔性材料。例如，2年前，Bao及其同事研制出一批柔性有机压力传感器。这种压力传感器灵敏到可以感知一只蝴蝶的重量。而最近，在美国材料研究学会会议上，Bao介绍了她和同事如何利用安装在手表带中的一个大小为144平方毫米的微型阵列，测量心跳和血压。与目前常用的手表式心率监测仪不同，这个新发明薄如纸片。“该发明的灵感来源于人类皮肤。”Bao介绍说，她还曾研制出柔性化学传感器以及具有自我恢复能力的纳米材料。
目前，MC10和运动厂商锐步已研制出一款安装有可穿戴传感器的原型产品。该产品可监测足球或曲棍球运动员所遭受的冲击风险。在测量了旋转加速度、多方向加速度以及受击打位置和持续时间后，如果发现运动员的头部受到了严重冲撞，该设备即会点亮LED灯，通知教练将运动员带离运动场。
另一些研究者则正在努力缩小柔性电子设备的尺寸。这种努力在触觉传感器研究领域中展现得最为充分。亚特兰大市佐治亚理工学院的化学家王中林及其同事则提出了一种基于压电电子学的新方法。他们利用施加在材料上的压力可以改变材料的偏振状态，或正负电荷分布状态这一特性，测量相关属性的变化，并将这种变化转化为可识别的信号。
与传统方法不同，王中林表示，新方法可以让研究者研制出更细小的设备，进而制造出超高感应分辨率的传感器阵列。5月24日出版的《科学》杂志报道了该团队研制的每平方厘米8464颗传感器的压电电子晶体管。据王中林介绍，这一密度比人类皮肤中触觉感受器的密度还要高。该晶体管因具有能够提供高感知分辨率的特性，有望被用于假肢中。
更进一步
生物电子学最大胆的研究方向或许是将生物组织与电子在细胞层面相结合。哈佛大学化学家Charles Lieber和同事在过去20年间将心血倾注于一项研究：他们将超薄纳米线从原子标度大小开始培养，并将它设计成具有晶体管等电子设备功能的材料。因为要在细胞内模拟和影响生物的机能，尺寸是个问题，而纳米级设备的大小非常合适。Lieber说：“纳米级设备非常契合电子接口尺寸的要求。”神经元内的离子通道宽度小于10纳米，神经突触间的节点宽度小于100纳米，而神经元本身也不过微米大小。因此，纳米级设备的出现将带来革命性的发展。
Lieber团队已经通过利用纳米线制作出了纳米级的计算机存储器、发光二极管以及光伏电池。他们在近期发布的一系列论文中阐述了自己是如何通过利用这些纳米级设备追踪神经活动的。他们还准备了可进入神经元的纳米线探针，并在探针上安置了多种晶体管记录仪。
上世纪70年代，膜片钳探针的出现使得监控独立细胞间的活动成为可能，但膜片钳探针不能进入细胞内。而这种新型的纳米线技术，按照Lieber的话来说是“继膜片钳探针技术之后，唯一称得上新技术的记录方法”。
另一种纳米层级新设备是利用光脉冲来控制老鼠的基因表达。为了开展研究，研究人员必须把老鼠固定在复杂的电子设备上以改变它的自然习性。Rogers和同事在4月12日出版的《科学》杂志上描述了他们的实验过程：将纳米级发光二极管安置在纳米级细线的末端，这些细线很柔韧但却可以穿透老鼠的大脑组织，并通过光唤醒老鼠大脑内特定的基因。这种纳米带可以接收附近的大脑无线电波并将它们转换成电流。之后，研究员在老鼠头部附近安置了一台无线电源，打开发光二极管的开关，老鼠特定的基因表达随之出现。Rogers认为这项新技术预示着一种新应用：自我供电的生物电子装置将被植入多种器官，并能够控制这些器官的功能。
Lieber团队最新的研究成果使得这种新应用指日可待。该团队制造出了配备有内置晶体管的3D硅纳米线网。他们将硅纳米线网用作生物组织培养平台，以培养心肌细胞或者神经元。晶体管阵列可以监控生长中的生物组织的电子活动，并追踪这些组织对例如用于刺激心脏细胞收缩的去甲肾上腺素等药物的反应。（段歆涔）
《中国科学报》 (2013-06-11 第3版 国际)