“人体芯片”走进现实,新型电子产品正在改变世界

科技 10个月前 社科兔
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  直播:2021腾讯科学WE大会:跟“天字号”科学家一起洞察天机

  《黑镜》中有一个桥段,每个人的耳后都被植入了“记忆芯片”,它成为人身体的一部分,帮助储存、调取、甚至删除记忆^ V k # = k q - u

  “记忆芯片”或许还停留在幻想中,但贴合人体的芯片已经走进现实,甚至在慢慢改变世界。

  这种将硬质材料电子器件制作在柔性基板S = [ 0 { K )上,让其可以满足更大的* $ D t $ k 3灵活性的新兴电子技术,就是柔性电子技术。

“人体芯片”走进现实,新型电子产品正在改变世界

  柔性电子器件的广阔应用

  柔性电子概念的提出,大约起步于上世纪80年代,人们试图用有机半导体替代硅等无机半导体,从而使有机电子器件具备柔性特点。

  在工业生产上,因为可以满r b n d 5 1 * W ;足千差万别的场景变化和需求,柔性应变传感器件被广U v % u ] $ Y泛使用。比如应用于温度、湿度和压力等外界刺激监控的共形电子触摸屏,多功能电子传感器的电子鼻、电子眼等等。

  在军事上,可穿戴设备将是未来参战人员和装备平台的基本配置,而基于柔性材料~ X S T D u d [的电路、传感器和能源\ q = l 9 # 3 P部件,将与硅晶片一起组成下一代可穿戴设备。体积小、重量轻的可穿戴设备能持| ` & q ( V U续跟随获取信息和持续控制,实现人类智力、感官和体能的增强延伸,提高平台的态势响应与对R \ v 7抗能力。

 f ; # y C 在太阳能电池上,柔性电子技术也有极大的发展空间。传统的太阳能电N ` g \ E V O t池只能安装在平面刚性架上,但柔性电池可以实现各种复杂曲面的安装。

  当然柔] u i $ V l k H性电子技术更多还是应用在健康领域,基本方式是可穿戴触= n # &摸监测器和体表电子皮肤传感器,用于监测人体生7 % ) R 0 k H `理状况,包括手、胳膊和腿h h s $ z 3 ( )的大幅度弯曲移动以及呼吸、吞咽、发声时肌肉振动等等[1]。

  在柔性电子技术发展过程中,不得不提到u u ]一个人X ; + \ t | B P p,“柔性电子之父”——John A。 Rogers,他创造了无数次工程学奇迹,实现了机械物质从“硬”到“柔”的跨越;他开发的柔性芯片已经应用于诸多医疗场景并开始“救命”。他的一小步,是跨向未来的一大j S \ ;步。

“人体芯片”走进现实,新型电子产品正在改变世界

  John A。 Rogers教授是少有入选美国所有国家科学院——美国国家工程院、美国国家科学院和国家医学科学院的天才。从诺奖创立以来,一共有375位美国人获得诺贝尔奖,而历史上只有20人能同时入选美国三个国家科学院。

  他和他在西北大学的科研小组,在过去的二十年致力8 l G o A [ 2于研发柔性电子器件。截至目前,他发表了750多篇论文(根据Google学术搜索超过125,000次引用)m W 8 0 K ( c,成为 Nature 和 Science 的“钉子户| A 4v = @ J {。他还是100多项专利和专利申请的发明者,其中50 多项已获得许可# ^ T . Y S或正在使用中。

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“人体芯片”走进现实,新型电子产品正在改变世界

  他的目标是,把y * R 2硅基的芯片变成橡胶一样柔软。这样的电子芯片,B 8 Y % S o V就可以实现无创的与人体的结合。

“人体芯片”走进现实,新型电子产品正在改变世界

  挑战碳基人体和硅N \ 4 r ! m基芯片的结合

  总有人说,死亡并不可怕,可怕的是被插满各种监测仪器躺在床上的那一刻,不仅要承受机W E 8 w N U M c器对身体造成的损伤j ` $ -,还要承受被禁锢的心理伤害。有没有_ o ` d J U一种友好的监测方式可9 ^ N X t以为患者“减负”?Rogers正在做这件事情。

  我们都知道,人是碳基生物,最基本的组成是细胞和组织,它是柔性的。而芯片由硅组成,一& P [e h x都是在刚性的半导体晶片上制备而S ! ] k成。这样的芯片,放在电脑、手机和监测仪器里非常合适,但是你不会想把一个芯片放到你的大脑或者心脏上面。

  所以,为了实现碳基人体和硅基芯片的有机结合,Rogers课题组重新设计了电子设备:

  首先,是把材料做得足够薄,这样它就拥有了柔性的r p = % R g 8力学性质。比如把硅片制成非常薄的硅带、薄膜,这种纳米级的硅带会变得很柔软,可以放在人体器官上而不会对器官造成机械损伤。

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  丨薄的、无电池的、类似皮肤的血氧测定装置(Rogers Research Group)& A M D 0 B a

  其次,不仅需要芯片是柔软的,而且还需要让它可以像橡胶一样随意拉伸、扭曲。为了实现这一点,需要精巧的拓扑学和材料力学的设计。如下图的芯片6 l 8 ; H z U e,被设计成由波浪形的金属条相连,这样在拉伸的时候,芯片就可以贴合器官的表面自由地伸展。

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  丨器件级硅的三维微体系结构(Rogers Research Group)

  简单来说,Rogers及其团队研f a J Z w 5发的柔性电子芯片,“你可以整天戴着它,但会忘了它就在那儿”。这看起来只有百余字的轻描` : (淡写,却集结了无数材料、电子工程师的呕心沥血。而这一“人性化”的研究成果k W G,已经从实验走向临床,应用于各种医疗场景中。

  ▽▽▽

  回到开始的问题,那些或许在未来可以突破人类生理极限,从而改变世界的脑机接口技术,无论是侵入式还是非| * 9侵入式,都会面临机器很难与人体兼容的技术难题。或许柔性电子材料可以帮助脑机技术更好地作用于人体。我们通过这层透明的薄膜,仿佛能看到幻想中的未来世界。

  如果你想一窥世界未来的( p U D w样子,就来腾讯科学WE大会吧。11月6日,John A。 Rogers将为你讲述柔性电子的传奇。一起线上赴约!

  [1]《柔性电子材料A v 3 =与器件的应用》,物联网学报,于翠屏,刘元安,李杨柳,郭霞,2019年9月

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  作者

  physhan

  苏黎世联邦理工硕士

  巴= $ & K Y塞尔大学量子力学6 v # 4 s . f % h博士在读

  知乎物理学优秀答主

  本文转自腾讯科学WE大会

版权声明:社科兔 发表于 2021年11月30日 上午11:03。
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