【科技前沿】纳米探针技术助力半机器人时代早日来临
  来源:科学媒介中心
2019-08-13 13:24:50

(本文由黑龙江省科协与黑龙江日报客户端联合发布)

demo.jpg

(图源:Tattoodo

半机器人在通常意义上指的是指利用科技改造后的人类,科幻电影《攻壳机动部队》《战斗天使阿丽塔》《钢铁侠》等对半机器人都有过精彩的描述与演绎。其中最为经典的形象便是钢铁侠,“他拥有鹰的眼睛、狼的耳朵、豹的速度和熊的力量。

demo.jpg

《钢铁侠》

随着人工智能、生物技术和神经科学的进步,以及人类增强技术和假肢技术的进步,人与机器的融合正在突破各种瓶颈,取得飞跃式发展。未来,大脑植入芯片可以改善我们的记忆,手指植入芯片可以替代密码和钥匙,四肢植入外骨骼可以增强力量……人机深度融合的半机器人时代可能很快就要来临,日后要“开个脑洞”不仅关乎想象力的运用,或许还会得到机器芯片的加持。

01

纳米探针:大脑神经与机器芯片的桥梁

要想让半机器人从科幻变成现实,技术上的关键是如何把人类大脑神经细胞发出的信号准确无误地传递给机器上的芯片,芯片接收到信号后控制机器产生相应的动作。这一路径的实现就需要为人类大脑神经细胞和机器芯片之间架起一座信息交流的桥梁,脑机接口(BMI便是这一领域的前沿课题。

最近,脑机接口领域又有了新的进展,哈佛大学、萨里大学、延世大学的研究人员设计了一种可伸缩的超小型三维纳米线晶体管(U-NWFET探针,这个令人难以置信的“设备”非常小,通过它可以清晰记录人类心脏细胞和初级神经元的内部活动。

demo.jpg

U型纳米线可以记录大脑或心脏细胞内的电压大小,而不会造成任何损伤。同类设备比它们大100倍,而且会在记录后杀死细胞。
(图源:Lieber Group, Harvard University)
超小型的u型纳米探针不光可以记录细胞和初级神经元的内部活动,这些设备非常小,其中用到的硅纳米线直径只有15纳米,比人体细胞小得多(最小的淋巴细胞直径是几个微米),因此在探测过程中不会对细胞造成损伤。
探测系统由不同曲率的多个探针组成,具有多通道记录信息的能力。研究人员通过调节探针的位置、大小和几何形状(包括U型纳米线的曲率和探针尖端的传感件长度,系统地研究了这些参数如何影响探针记录细胞内的电生理信号

demo.jpg

图a:通过U-NWFET探针记录细胞内电生理信号,探针采用确定性形状控制的纳米线传输技术,可以很好地调节每个探针的尺寸、几何形状和传感件的尺寸。

图b:两种可能的探针-细胞接口界面:(i)U型纳米线的曲率半径最小,探针尖端的FET传感元件的长度最短,完全密封在细胞膜上,可记录到细胞内高振幅电压信号;(ii)U型纳米线的曲率半径较大,探针尖端的FET传感元件的长度较长,部分封闭在细胞膜上,只能记录到细胞内减弱的电压信号。

02

技术应用价值与前景

英国萨里大学的赵云龙博士说:“这项技术可以协助专业医疗人员更好地了解我们的身体状况,帮助延长人类的寿命。从长远来看,人与机器之间的融合与交互是不可避免的。我们的超小型、灵活的纳米线探针是一个非常强大的设备,它们可以测量细胞内的电生理信号,这项技术可以与膜片钳技术相媲美。该设备是可伸缩的,它不会引起很大的不适,不会对细胞有致命的损害(比如细胞质膨胀。”

美国哈佛大学化学与化学生物学教授查尔斯·利伯认为:“这项研究解决了把合成纳米器件集成到大规模芯片和晶圆阵列的难题,能在细胞内长期无损伤地记录细胞的电生理信号。从长远来看,这项研究促进了高分辨率脑机接口技术的发展。”

萨里大学的拉维席尔瓦教授认为:“除了促进细胞的电生理信号监测技术的发展外,这项技术还为脑机接口技术的发展奠定了基础。”

除了在脑机接口领域的重要应用价值以外,这一研究还可以应用于医学领域。研究人员表示,可以利用纳米探针寻找细胞癌变的信号,进而将细胞分类为癌变细胞或非癌变细胞,并且通过相应的机制引导探针摧毁癌细胞。此外,该技术还可以帮助诊断阿尔茨海默氏症和帕金森症等神经疾病。


齐发国际官网