在英劇《黑鏡》描述的未來世界里，每個社會人的耳后都被植入了一塊智能芯片，外界儀器通過這顆芯片就能存儲和提取腦海中的記憶，可以隨時播放、回看記憶中的畫面。

影視劇中的人體植入智能芯片看似很遙遠，但其實已經(jīng)在現(xiàn)實世界初見端倪。

今年5月，一支來自哥倫比亞大學(xué)的科研團隊先后在Science Advances 和 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 等頂級刊物和國際會議上發(fā)表了一項植入式芯片的研究成果，在微型化醫(yī)療儀器方面取得新進展。

該團隊研發(fā)出一枚僅塵埃大小的全集成植入式微型傳感芯片，通過超聲波無線獲取能量以及傳輸數(shù)據(jù)，可用于監(jiān)測生理學(xué)信號。維基百科稱之為“世界上最小的單芯片系統(tǒng)”，創(chuàng)造了類似的生物芯片的最小尺寸記錄。這意味著，未來有可能通過針管注射的方式將芯片植入人體，減輕移植過程給機體造成的傷害。

芯片放置于針頭的照片，顯示其微型的尺寸和可注射的特性

那么，這一“世界上最小的單芯片系統(tǒng)”究竟是如何煉成的？近日，AI科技評論有幸同該研究項目的第一作者施辰進行對話，了解這顆微型傳感芯片背后更多的秘密和細節(jié)。

用“芯片即系統(tǒng)”的思路做醫(yī)療儀器

施辰博士畢業(yè)于哥大電子工程系，師從生物電子學(xué)領(lǐng)域先驅(qū)Kenneth L. Shepard教授。

“讀博期間，我和我的導(dǎo)師關(guān)注到植入式醫(yī)療儀器領(lǐng)域。雖然已經(jīng)有不少儀器能夠在疾病的診斷和治療方面發(fā)揮作用，但這些儀器體積偏大，即使是最小的醫(yī)療器械也只能做到米粒大小，往往通過手術(shù)植入人體，勢必造成一定程度的創(chuàng)傷，因此我們希望通過縮小醫(yī)療儀器的體積降低排異反應(yīng)，實現(xiàn)無感化微創(chuàng)移植。”他在談及決定進行這一研究的初衷時說道。

事實上，植入式醫(yī)療設(shè)備經(jīng)過一段時間的發(fā)展已經(jīng)形成多個分支，形成包括心血管、骨科、神經(jīng)等多個細分賽道，既有替代人體器官的器械，又有用作疾病診斷的儀器。

“我們想要探索植入式醫(yī)療儀器的尺寸極限。芯片，即集成電路，將各種電路元件高度集成到一枚微小的硅片上。我們在此基礎(chǔ)上，將通常獨立于芯片的傳感器、換能器、分立的電路元件等部件又進一步集成到芯片上，讓芯片本身成為一個完整的系統(tǒng)——“芯片即系統(tǒng)”，在保證實現(xiàn)一定功能的情況下盡量減小體積。為了證明這一思路，我們選擇的是醫(yī)學(xué)檢測里比較常見的溫度測量?！?/p>

需要注意的是，雖然體外測溫已經(jīng)非常成熟，但有著重要醫(yī)學(xué)意義的體內(nèi)核心溫度的測量依然不能輕易獲取。歷經(jīng)多年的試驗與研究，團隊終于實現(xiàn)微型化醫(yī)療儀器的心愿，他們所研發(fā)的傳感芯片體積僅為 0.065 立方毫米，使用針頭就能注射進有機體，對體內(nèi)核心溫度進行實時監(jiān)測。

芯片與一分硬幣的對比照片

這枚微型傳感芯片主要由兩部分組成，一部分是用作超聲換能器的壓電材料，可將聲能轉(zhuǎn)化為電能，另一部分是用來收集超聲波能量和測量體溫的溫度傳感器芯片。

施辰自行設(shè)計的溫度傳感器芯片采用 180nm 工藝制程，在臺積電生產(chǎn)流片。拿到流片完成的傳感器芯片，他再依據(jù)自研的一套微制造工藝，將一枚微型的壓電材料直接集成在該芯片表面，沒有使用任何外置電路元件或者焊線，實現(xiàn)了“芯片即系統(tǒng)”的概念和極小的體積。

與傳統(tǒng)芯片不同，植入式芯片還需要保證芯片與有機體的和諧共存，因此，還要為這顆小小的單芯片系統(tǒng)封裝上一層不會對有機體造成傷害的薄膜材料，才能算是一顆完成的植入式芯片。

超聲波實現(xiàn)無線供電和數(shù)據(jù)傳輸

這顆微型傳感芯片，又是如何在無線的情況下實現(xiàn)生理信號監(jiān)測的呢?日常生活中，常見的無線供電和通信是由基于電磁波的射頻技術(shù)實現(xiàn)的。不過，電磁波的波長較長，很難給如此小的芯片供電。

“由于聲速遠小于光速，同樣頻率的超聲波比電磁波的波長小很多，更容易匹配這顆傳感芯片的尺寸，因此我們選擇了超聲波來無線傳輸能量和數(shù)據(jù)。同時，在一定能量范圍內(nèi)，超聲波對人體無害?！笔┏秸f道。

事實上，目前超聲波在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛了，B超就是廣為人知的醫(yī)療應(yīng)用之一。

芯片放置于雞肉中的超聲圖像，顯示如何通過B超定位芯片

“當壓電材料接收到超聲波能量時，表面會產(chǎn)生電荷，積累的電荷通過芯片內(nèi)部的整流電路和穩(wěn)壓電路，從交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，從而驅(qū)動整個溫度傳感器。溫度傳感器由一個振蕩電路組成，我們通過一定的設(shè)計，使得溫度越高，震蕩頻率越快；溫度越低，震蕩頻率越慢。這個振蕩電路的輸出通過一個晶體管來調(diào)制壓電材料的聲阻抗，使得傳到壓電材料后反射回來的超聲波的振幅發(fā)生一定變化，而變化的頻率就是溫度傳感器的輸出頻率。通過觀察反射波的振幅變化，就能獲取溫度信號，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸和監(jiān)測?！?/p>

下一步：更微型的植入式芯片和更多元化的生理信號監(jiān)測

雖然取得突破性進展，但施辰也坦言，該項目依然還有很多可以改進的地方：

采用的壓電材料具有單向性，這意味著如果芯片在有機體內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，超聲波無法垂直傳輸?shù)叫酒希芰哭D(zhuǎn)換效率就會降低。

注射到機體內(nèi)是一件容易的事情，但團隊尚未在如何取出芯片上做更多的研究。不過，他們認為有兩條研究路徑，一是通過有機體正常的新陳代謝排出體外，二是芯片小到能夠被細胞吞噬。

另外，該項目目前依然處于實驗室階段，且僅僅只是在小鼠體內(nèi)做過試驗，不排除在植入人體時會有新的問題出現(xiàn)。

這一項目未來還會有更多的可能性，長遠的目標是能夠在更微小的體積下測量更多的生理信號，包括但不限于體內(nèi)的pH值，血壓，血糖含量等。在實現(xiàn)這一目標的過程中還有很多問題需要解決——如何找到效果更好的壓電材料來減少超聲波在體內(nèi)傳播過程中的衰減所帶來的影響；如何進一步減小芯片體積，降低芯片功耗，從而讓芯片植入到體內(nèi)更深和更狹小的位置......

“這些問題看起來互相制衡，但這就是研究的魅力?！?/p>

項目第一作者施辰在展示該研究成果

施辰本科畢業(yè)于華盛頓大學(xué)，獲得生物工程和電子工程雙學(xué)位。從小就對生物感興趣的他，選擇了進一步鉆研生物和電子的交叉學(xué)科。在哥倫比亞大學(xué)讀博期間，他還參與過腦機接口和神經(jīng)調(diào)節(jié)芯片等項目。展望未來，他希望能繼續(xù)在生物電子學(xué)領(lǐng)域深耕，開發(fā)出真正能臨床應(yīng)用的微型醫(yī)療儀器，為病人提供更安全方便的生理學(xué)信號的監(jiān)測和分析用于疾病的診斷和康復(fù)。

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