生物電子學開啟人機結合新紀元

　　半機械人的時代已經到來。生物學家、材料學家以及納米技術專家正攜手共進、攻克難關。

　　John Rogers看上去不像是一個半機器人，但實際上他的改造已經開始。Rogers是美國伊利諾伊大學香檳分校的材料學家，在最近的一場于舊金山召開的討論會上，他進行了一場演講。演講過程中他取出一個與投影儀連接的類似鋼筆的顯微鏡，并對準自己的前臂，觀眾這時才發現他的表層皮膚崎嶇不平，伴有彎彎曲曲的線路和方形襯墊，與常人大不相同。這些線與襯墊是回路陣列的組成部分，與筆記本電腦或手機內常見的Intel和ARM處理器不同的是，Rogers展示的設備只有郵票大小，柔韌、可伸縮、近乎透明，且與他的手臂完美地結合在一起。

　　Rogers將這種密切接觸解釋為有助于他的團隊利用柔韌的電路去監控人的體溫、心率和血壓，并且通過無線方式將數據傳輸到電腦中。《科學》雜志稱，他的團隊還可以利用類似的陣列來追蹤手臂的移動軌跡，實現徒手操控直升機玩具。Rogers成立了一家名為MC10的公司，他與美國籃球聯盟和美國國家橄欖球聯盟的明星，例如Grant Hill和Matt Hasselbeck展開合作，利用新開發的技術，監控運動對頭部的影響。Rogers說：“能與明星合作感覺非常酷，因為這令10歲的兒子更加崇拜我。”

　　新技術非常驚艷，但這只是前奏。Rogers和團隊其他成員在材料研究協會的會議上展示的其他設備的功能更加超乎想象。例如在動物測試中，類似保鮮膜的電路覆蓋在目標心臟上，不僅可以獨立追蹤每個心房的活動，還能釋放可以殺死小片組織的熱量脈沖來模擬潛在的心率失常。另外，其他陣列可以穿透大腦組織，監控癲癇癥發作時失常的神經活動，或誘導老鼠大腦中的基因表達并追蹤研究結果，有助于發育生物學的研究。某個團隊甚至制作出了一只擁有軟骨細胞的3D仿生耳朵，既可以暢聽貝多芬的《致愛麗絲》，又可以聽到人類本來無法聽到的超聲波。

　　半機械人的時代已經到來。生物學家、材料學家以及納米技術專家正攜手共進、攻克難關。美國勞倫斯利物莫國家實驗室兼加州大學默塞德分校的生物納米技術專家Aleksandr Noy說：“我將它視作一場細胞、組織和電路之間不間斷的連接。”目前，絕大部分的同類研究專注于如何為病人提供更優質的衛生保健服務以及更高質量的生活。

　　Noy說：“幾年前這種事情還屬于科學幻想范疇，而現在我們就要看到實際的設備和應用系統了。”斯坦福大學有機電子學專家Zhenan Bao補充道：“競爭非常激烈。”

　　制造出融合人或融合機器的想法一直吸引著人類為之探索。Rogers指出，在過去的一個世紀里，研究者為能夠利用電子設備測量或改變生物活動付出了無數努力。通過改變金屬電極形狀，研究者已經制造出了綁在皮膚上即可繪制出心電圖的設備。他們還設計出可以插入腦組織，干擾腦神經放電模式的大腦激勵器，用以治療由帕金森氏癥引起的虛弱顫抖。此外，科學家還發明了人工電子耳蝸，可以將聲音信號轉換為電子脈沖，進而被內耳識別。

　　不過，上述技術還很原始，不能滿足人們的需求：這些堅硬的設備只能或綁在或粘在，甚至插在皮膚上。為此，科學家著手研制各種能夠模仿皮膚柔軟性的電子儀器——大到可見設備，小到可以被安置在單個細胞上的電子器件。

　　首先，從可見設備角度來說，普林斯頓大學機械工程師Michael McAlpine及其同事于5月1日在《納米快報》上報道了他們利用3D打印機制造的世界上第一個功能器官——仿生耳。該仿生耳可以接收聲波以及超聲波信號。“我們試圖了解人類的感官到底能否擁有此前不具備的超級功能。”McAlpine說。

　　McAlpine團隊的“打印墨水”由3種材料組成：純硅樹脂、摻有納米銀粒子的硅樹脂，以及能夠產生軟骨組織，并且添加有促進劑的軟骨細胞。此前，曾有許多研究團隊利用3D打印機制造出了各種組織，但是這些被“打印”出來的組織只能起到與腳手架類似的支撐作用。而McAlpine團隊在仿生耳中添加了一個金屬線圈，用以接收聲音信號，并將聲音信號轉換成內耳可識別的電子脈沖。不僅如此，這個線圈還可以接收只有貓、狗才可以聽到的超聲波信號。

　　另一個可見設備是具有觸覺、能夠感受溫度并帶有化學傳感器的電子皮膚。這種皮膚將來有可能被安裝在假肢上面，讓使用者能夠重新感知和觸摸周圍的環境。如果被安裝在機器人身上，其還能給予機器人一種全新的感知能力。

　　此前，學界認為，幾乎所有的固體有機物均為絕緣體，這也就是說，它們不能導電。但是，上世紀七八十年代，研究者發現通過改變某些有機物的結構，可以使它們變為導體或半導體。后者能夠接通或切斷電流，是組成晶體管等設備的關鍵材料。這一發現打開了研制具有柔軟、靈活襯底的電子器件的大門。到2000年左右，研究者已經成功研制出一系列廉價的相關設備。

　　在過去的數年中，許多科研團隊研制出了一系列擁有觸覺和溫度傳感器的柔性材料。例如，2年前，Bao及其同事研制出一批柔性有機壓力傳感器。這種壓力傳感器靈敏到可以感知一只蝴蝶的重量。而最近，在美國材料研究學會會議上，Bao介紹了她和同事如何利用安裝在手表帶中的一個大小為144平方毫米的微型陣列，測量心跳和血壓。與目前常用的手表式心率監測儀不同，這個新發明薄如紙片。“該發明的靈感來源于人類皮膚。”Bao介紹說，她還曾研制出柔性化學傳感器以及具有自我恢復能力的納米材料。

　　目前，MC10和運動廠商銳步已研制出一款安裝有可穿戴傳感器的原型產品。該產品可監測足球或曲棍球運動員所遭受的沖擊風險。在測量了旋轉加速度、多方向加速度以及受擊打位置和持續時間后，如果發現運動員的頭部受到了嚴重沖撞，該設備即會點亮LED燈，通知教練將運動員帶離運動場。

　　另一些研究者則正在努力縮小柔性電子設備的尺寸。這種努力在觸覺傳感器研究領域中展現得最為充分。亞特蘭大市佐治亞理工學院的化學家王中林及其同事則提出了一種基于壓電電子學的新方法。他們利用施加在材料上的壓力可以改變材料的偏振狀態，或正負電荷分布狀態這一特性，測量相關屬性的變化，并將這種變化轉化為可識別的信號。

　　與傳統方法不同，王中林表示，新方法可以讓研究者研制出更細小的設備，進而制造出超高感應分辨率的傳感器陣列。5月24日出版的《科學》雜志報道了該團隊研制的每平方厘米8464顆傳感器的壓電電子晶體管。據王中林介紹，這一密度比人類皮膚中觸覺感受器的密度還要高。該晶體管因具有能夠提供高感知分辨率的特性，有望被用于假肢中。

　　生物電子學最大膽的研究方向或許是將生物組織與電子在細胞層面相結合。哈佛大學化學家Charles Lieber和同事在過去20年間將心血傾注于一項研究：他們將超薄納米線從原子標度大小開始培養，并將它設計成具有晶體管等電子設備功能的材料。因為要在細胞內模擬和影響生物的機能，尺寸是個問題，而納米級設備的大小非常合適。Lieber說：“納米級設備非常契合電子接口尺寸的要求。”神經元內的離子通道寬度小于10納米，神經突觸間的節點寬度小于100納米，而神經元本身也不過微米大小。因此，納米級設備的出現將帶來革命性的發展。

　　Lieber團隊已經通過利用納米線制作出了納米級的計算機存儲器、發光二極管以及光伏電池。他們在近期發布的一系列論文中闡述了自己是如何通過利用這些納米級設備追蹤神經活動的。他們還準備了可進入神經元的納米線探針，并在探針上安置了多種晶體管記錄儀。

　　上世紀70年代，膜片鉗探針的出現使得監控獨立細胞間的活動成為可能，但膜片鉗探針不能進入細胞內。而這種新型的納米線技術，按照Lieber的話來說是“繼膜片鉗探針技術之后，唯一稱得上新技術的記錄方法”。

　　另一種納米層級新設備是利用光脈沖來控制老鼠的基因表達。為了開展研究，研究人員必須把老鼠固定在復雜的電子設備上以改變它的自然習性。Rogers和同事在4月12日出版的《科學》雜志上描述了他們的實驗過程：將納米級發光二極管安置在納米級細線的末端，這些細線很柔韌但卻可以穿透老鼠的大腦組織，并通過光喚醒老鼠大腦內特定的基因。這種納米帶可以接收附近的大腦無線電波并將它們轉換成電流。之后，研究員在老鼠頭部附近安置了一臺無線電源，打開發光二極管的開關，老鼠特定的基因表達隨之出現。Rogers認為這項新技術預示著一種新應用：自我供電的生物電子裝置將被植入多種器官，并能夠控制這些器官的功能。