比鹽粒還小的微型芯片未來有望改變醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)
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發(fā)布 : 03-27
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對于布朗大學(xué)工程師領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)來說，一種微型芯片的發(fā)明可能帶來一項(xiàng)重大突破。研究小組在《自然-電子學(xué)》雜志上撰文，介紹了一種新穎的無線通信網(wǎng)絡(luò)方法，這種網(wǎng)絡(luò)可以從數(shù)千個(gè)微電子芯片中有效地傳輸、接收和解碼數(shù)據(jù)，而每個(gè)芯片的大小都不超過一粒鹽。傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)使芯片可以植入人體或集成到可穿戴設(shè)備中。每個(gè)亞毫米大小的硅傳感器都模仿大腦神經(jīng)元通過尖峰電活動進(jìn)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(shí)時(shí)無線傳輸數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了能源和帶寬。布朗大學(xué)博士后研究員、該研究的第一作者李繼勛（Jihun Lee）說："我們的大腦以一種非常稀疏的方式工作。神經(jīng)元不會一直發(fā)射。它們壓縮數(shù)據(jù)，稀疏地發(fā)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(jié)構(gòu)。傳感器不會一直發(fā)送數(shù)據(jù)--它們只會在需要時(shí)發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，就像短暫的電脈沖一樣，而且它們能夠獨(dú)立于其他傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，無需與中央接收器協(xié)調(diào)。通過這樣做，我們可以節(jié)省大量能源，避免中央接收器中心被意義不大的數(shù)據(jù)淹沒。"這種射頻傳輸方案還使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，并解決了當(dāng)前傳感器通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)常見問題：它們必須完全同步才能正常工作。研究小組在《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）雜志上撰文，介紹了一種新穎的無線通信網(wǎng)絡(luò)方法，這種網(wǎng)絡(luò)可以從數(shù)千個(gè)微電子芯片中高效地傳輸、接收和解碼數(shù)據(jù)，而每個(gè)芯片的大小都不超過一粒鹽。圖片來源：Nick Dentamaro/布朗大學(xué)研究人員說，這項(xiàng)工作標(biāo)志著大規(guī)模無線傳感器技術(shù)向前邁出了重要一步，有朝一日可能會幫助科學(xué)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(xiàn)代科技的發(fā)展，電子傳感器已變得無處不在。布朗大學(xué)工程學(xué)院教授、該研究的資深作者阿爾托-努爾米科（Arto Nurmikko）說："我們生活在一個(gè)傳感器的世界里。傳感器無處不在。它們當(dāng)然出現(xiàn)在我們的汽車?yán)?，出現(xiàn)在許多工作場所，而且越來越多地進(jìn)入我們的家庭。對這些傳感器來說，最苛刻的環(huán)境永遠(yuǎn)是人體內(nèi)部。"因此，研究人員認(rèn)為該系統(tǒng)有助于為下一代植入式和可穿戴式生物醫(yī)學(xué)傳感器奠定基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)界越來越需要高效、不顯眼、不易察覺的微型設(shè)備，這些設(shè)備還能作為大型組合的一部分運(yùn)行，以繪制整個(gè)相關(guān)區(qū)域的生理活動圖。"李說："在實(shí)際開發(fā)這種基于尖峰的無線微傳感器方面，這是一個(gè)里程碑。如果我們繼續(xù)使用傳統(tǒng)方法，就無法收集到這些應(yīng)用在這類下一代系統(tǒng)中需要的高信道數(shù)據(jù)。"傳感器所識別和傳輸?shù)氖录梢允翘囟ǖ氖录?，如監(jiān)測環(huán)境的變化，包括溫度波動或某些物質(zhì)的存在。傳感器之所以能夠使用如此少的能源，是因?yàn)橥獠渴瞻l(fā)器在傳感器傳輸數(shù)據(jù)時(shí)為其提供無線供電，這意味著傳感器只需在收發(fā)器發(fā)出的能量波范圍內(nèi)就能獲得充電。這種無需插入電源或電池即可運(yùn)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(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)和模擬了復(fù)雜的電子器件，并通過多次制造迭代來制造傳感器。這項(xiàng)工作建立在Nurmikko 在布朗大學(xué)實(shí)驗(yàn)室先前研究的基礎(chǔ)上，該研究推出了一種名為"神經(jīng)粒"的新型神經(jīng)接口系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一個(gè)由微型無線傳感器組成的協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)來記錄和刺激大腦活動。"這些芯片是相當(dāng)復(fù)雜的微型電子設(shè)備，我們花了一段時(shí)間才做到這一點(diǎn)，"隸屬于布朗大學(xué)卡尼腦科學(xué)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(tǒng)的效率，以及該系統(tǒng)的潛在擴(kuò)展能力。他們使用實(shí)驗(yàn)室中的 78 個(gè)傳感器對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)即使傳感器在不同時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)，也能準(zhǔn)確無誤地收集和發(fā)送數(shù)據(jù)。通過模擬，他們能夠展示如何利用約8000個(gè)假定植入的傳感器，解碼從靈長類動物大腦中收集到的數(shù)據(jù)。研究人員表示，下一步工作包括優(yōu)化系統(tǒng)以降低功耗，以及探索神經(jīng)技術(shù)以外的更廣泛應(yīng)用。李說："目前的工作提供了一種方法，我們可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展。"編譯自:ScitechDaily
