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微如尘埃,针头注射,世界上最小的单芯片系统是如何炼成的?

igoseo.net   2021年09月06日

  前言:未来有可能通过针管注射的方式将芯片植入人体,实现人体芯片无痛化植入。

  在英剧《黑镜》描述的未来世界里,每个社会人的耳后都被植入了一块xpj芯片,外界仪器通过这颗芯片就能存储和提取脑海中的记忆,可以随时播放,回看记忆中的画面。

  影视剧中的人体植入xpj芯片看似很遥远,但其实已经在现实世界初见端倪。

  今年5月,一支来自哥伦比亚大学的工程师团队先后在 Science Advances 和 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 等顶级刊物和国际会议上发表了一项人体植入芯片相关的研究成果,在缩小芯片体积方面取得新进展。

  该团队研发出一枚仅尘埃大小的全集成无线植入式微型传感器芯片,维基百科词条称之为“世界上最小的单芯片系统”。这意味着,未来有可能通过针管注射的方式将芯片植入人体,实现人体芯片无痛化植入。

施辰团队芯片与一分硬币的对比照片

  不过,与其想象尚未有新理论支持的奇幻未来,厘清阶段性成果如何实现似乎在现阶段更有意义——这一世界上最小的单芯片系统究竟是如何炼成的?

  近日,雷锋网/AI科技评论有幸同项目研究的第一作者施辰进行对话,了解这颗世界上最小单芯片系统背后更多的秘密和细节。

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用集成电路的思路做医疗器械

  “读博期间,我和我的导师关注到在能够为人类健康做出贡献的可植入医疗设备领域,虽然已经有不少设备和仪器能够在疾病的诊断和治疗方面发挥作用,但这些设备体积偏大,植入人体势必会造成一定程度的创伤,因此我们希望通过缩小医疗设备的体积实现移植无感化,无痛化。”施辰在谈及决定进行这一研究的初衷时说道。

  事实上,可植入医疗设备经过一段时间的发展已经形成多个分支,形成包括心血管,骨科,神经等多个细分赛道,既有替代人体器官的器械,又有只是用作诊断疾病的器械。

  不过正如施辰所说,虽然这些医疗设备在诊断和治疗方面发挥了一定的作用,但即使是最小的医疗器械也只能做到米粒大小,往往通过手术移植或微创移入到人体,依然会对人体造成某种程度上的创伤,尚未完全实现无痛化。

  “我想看看医疗器械究竟能够做多小,于是我们想到了集成电路,”施辰告诉雷锋网/AI科技评论。“根据集成电路的逻辑,能够将我们想要做的医疗仪器及其所有需要的其他组件集成到一颗芯片中,在保证体积很小的情况下实现一定的功能,我们选择的是温度检测。”

  需要注意的是,虽然体外测温已经非常成熟,但体内核心温度的测量在医疗领域尤其是癌症治疗上能够发挥巨大的作用,植入芯片测量温度不仅不是多此一举,还有较大的医学意义。

  历经3到4年的试验与研究,施辰及其团队终于实现将医疗器械做小的心愿,他们所研发的传感器芯片体积仅为0.065 立方毫米,仅使用针头就能注射进有机体,对体内核心温度进行实时监测。

七枚芯片放置于针管内的照片,显示了同时注射多枚芯片进行分布式生理学信号监测的可能性

  那么这一医疗器械究竟如何通过集成电路实现的呢?

  据施辰介绍,他们所研发的全集成无线植入式微型传感芯片主要由两部分组成,一部分是用来测量体温的温度传感器芯片,另一部分是用作能量转化的压电材料,均由施辰自行设计。

  基于哥伦比亚大学同台积电良好的合作关系,温度传感器芯片采用180nm工艺制程,在台积电生产流片。拿到流片完成的传感器芯片,施辰再依据自己设计的一套微加工方法将其同压电材料连接在一起,便得到一颗系统级芯片。

  不过,与传统芯片不同,人体植入芯片还需要保证芯片与有机体的和谐共存,保证芯片植入有机体时不发生排斥反应。

  因此,还要为这颗小小的单芯片系统封装上一层不会对有机体造成伤害的薄膜材料,才能算是一颗完成的生物医疗芯片。

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超声波提供电源和无线连接

  这颗传感器芯片,又是如何在无线的情况下实现生理信号检测的呢?

  在物理世界中,通常基于射频电磁波技术实现无线通信。不过,这种无线通信方式存在一个问题,正常频率下波长达到毫米,厘米,甚至米的级别,但仪器尺寸不能小于波长,这与施辰所希望的医疗器械小型化的想法相悖。

  “电磁波波长难以缩小到300微米,因此我们选择了超声波。与基于光速的电磁波相比,基于声速的超声波速度更慢,波长更小,同时能够保证一定能量范围内对人体无害。”施辰说道。

  事实上,目前超声波在医疗领域的应用已经比较广泛了,B超就是广为人知的医疗应用之一。

芯片放置于鸡肉中的超声图像,显示如何通过超声成像定位芯片

  施辰团队使用超声波的奇妙之处在于:既解决了电源问题,又解决了无线连接的问题。

  “我们使用了一种特殊的压电材料,能够将声能转化为电能。当压电材料接收到超声波能量时,表面会产生能量电荷,电荷累积通过整流器,稳压电源等元件,从交流电转变为直流电,从而驱动整个温度传感器。”

  “由经超声波驱动的温度传感器,输出一个震荡电路,我们通过一定的设计,使得温度越高,震荡频率越快;温度越低,震荡频率越慢。发射出去的超声波传到压电次材料后反射回来,波幅也发生一定变化,变化的频率就是温度传感器输出的频率。通过观察反射超声的波幅变化,就能得知温度情况。”

  施辰解释了该单芯片系统仅依靠超声波提供能量和传输数据的原理。

  简而言之,超声波接触压电材料形成交流电,再经过整流器和大电容的处理变成直流信号,在稳压器的处理下变成稳定的直流电源,驱动温度传感器运转,输出震荡电路,对震荡频率进行分析,就可以得到核心温度。

  值得一提的是,施辰使用了一种特殊的胶水将微米级的压电材料和温度传感器相连,实现了医疗器械的小型化,在医疗器械领域前所未有。

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可预见的未来,更多的生理信号检测与更小的可植入芯片

  虽然施辰及其团队所研发出的医疗芯片在生物电子领域取得突破性进展,但施辰也坦言,依然还有很多可以改进的地方:

  采用的压电材料具有单向性,这意味如果芯片在有机体内发生旋转,超声波无法呈90度发射到芯片上,测量效率就会降低。

  注射到机体内是一件容易的事情,但尚未在如何取出芯片上做更多的研究。不过,施辰认为有两条研究路径,一是通过有机体正常的新陈代谢排除体外,二是芯片小到能够被细胞吞噬。

  另外,该项目目前依然处于实验室阶段,且仅仅只是在小鼠体内做过试,不排除在植入人体时会有新的问题出现。

  在施辰看来,这一项目未来还会有更多的可能性,最长远的目标是能够在如此小的单位体积下测量更多的生理信号,在实现这一目标的过程中还有很多问题需要解决——如何让芯片植入到更深的位置,如何找到效果更好的压电材料,如何减小超声波在传播过程中的衰减从而进一步减小功耗......

  “这些问题看起来互相制衡,但这就是研究的魅力。”施辰说道。

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