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微如尘埃,“世界上最小的单芯片系统”是如何炼成的
发布时间:2021-09-07 10:06 来源:雷锋网

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智能芯片,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智能芯片看似很遥远,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科研团队先后在 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植入式芯片的研究成果,在微型化医疗仪器方面取得新进展。

该团队研发出一枚仅尘埃大小的全集成植入式微型传感芯片,通过超声波无线获取能量以及传输数据,可用于监测生理学信号。维基百科称之为“世界上最小的单芯片系统”,创造了类似的生物芯片的最小尺寸记录。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,减轻移植过程给机体造成的伤害。

芯片放置于针头的照片,显示其微型的尺寸和可注射的特性。

芯片放置于针头的照片,显示其微型的尺寸和可注射的特性。

那么,这一“世界上最小的单芯片系统”究竟是如何炼成的?近日,AI 科技评论有幸同该研究项目的第一作者施辰进行对话,了解这颗微型传感芯片背后更多的秘密和细节。

用“芯片即系统”的思路做医疗仪器

施辰博士毕业于哥大电子工程系,师从生物电子学领域先驱 Kenneth L. Shepard 教授。

“读博期间,我和我的导师关注到植入式医疗仪器领域。虽然已经有不少仪器能够在疾病的诊断和治疗方面发挥作用,但这些仪器体积偏大,即使是最小的医疗器械也只能做到米粒大小,往往通过手术植入人体,势必造成一定程度的创伤,因此我们希望通过缩小医疗仪器的体积降低排异反应,实现无感化微创移植。”他在谈及决定进行这一研究的初衷时说道。

事实上,植入式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,又有用作疾病诊断的仪器。

“我们想要探索植入式医疗仪器的尺寸极限。芯片,即集成电路,将各种电路元件高度集成到一枚微小的硅片上。我们在此基础上,将通常独立于芯片的传感器、换能器、分立的电路元件等部件又进一步集成到芯片上,让芯片本身成为一个完整的系统 ——“芯片即系统”,在保证实现一定功能的情况下尽量减小体积。为了证明这一思路,我们选择的是医学检测里比较常见的温度测量。”

需要注意的是,虽然体外测温已经非常成熟,但有着重要医学意义的体内核心温度的测量依然不能轻易获取。历经多年的试验与研究,团队终于实现微型化医疗仪器的心愿,他们所研发的传感芯片体积仅为 0.065 立方毫米,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。

芯片与一分硬币的对比照片。

芯片与一分硬币的对比照片。

这枚微型传感芯片主要由两部分组成,一部分是用作超声换能器的压电材料,可将声能转化为电能,另一部分是用来收集超声波能量和测量体温的温度传感器芯片。

施辰自行设计的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,他再依据自研的一套微制造工艺,将一枚微型的压电材料直接集成在该芯片表面,没有使用任何外置电路元件或者焊线,实现了“芯片即系统”的概念和极小的体积。

与传统芯片不同,植入式芯片还需要保证芯片与有机体的和谐共存,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植入式芯片。

超声波实现无线供电和数据传输

这颗微型传感芯片,又是如何在无线的情况下实现生理信号监测的呢? 日常生活中,常见的无线供电和通信是由基于电磁波的射频技术实现的。不过,电磁波的波长较长,很难给如此小的芯片供电。

“由于声速远小于光速,同样频率的超声波比电磁波的波长小很多,更容易匹配这颗传感芯片的尺寸,因此我们选择了超声波来无线传输能量和数据。同时,在一定能量范围内,超声波对人体无害。”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 B 超定位芯片。

芯片放置于鸡肉中的超声图像,显示如何通过 B 超定位芯片。

“当压电材料接收到超声波能量时,表面会产生电荷,积累的电荷通过芯片内部的整流电路和稳压电路,从交流电转变为稳定的直流电,从而驱动整个温度传感器。温度传感器由一个振荡电路组成,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。这个振荡电路的输出通过一个晶体管来调制压电材料的声阻抗,使得传到压电材料后反射回来的超声波的振幅发生一定变化,而变化的频率就是温度传感器的输出频率。通过观察反射波的振幅变化,就能获取温度信号,实现温度数据的无线传输和监测。”

下一步:更微型的植入式芯片和更多元化的生理信号监测

虽然取得突破性进展,但施辰也坦言,该项目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,这意味着如果芯片在有机体内发生旋转,超声波无法垂直传输到芯片上,能量转换效率就会降低。

注射到机体内是一件容易的事情,但团队尚未在如何取出芯片上做更多的研究。不过,他们认为有两条研究路径,一是通过有机体正常的新陈代谢排出体外,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验,不排除在植入人体时会有新的问题出现。

这一项目未来还会有更多的可能性,长远的目标是能够在更微小的体积下测量更多的生理信号,包括但不限于体内的 pH 值,血压,血糖含量等。在实现这一目标的过程中还有很多问题需要解决 —— 如何找到效果更好的压电材料来减少超声波在体内传播过程中的衰减所带来的影响;如何进一步减小芯片体积,降低芯片功耗,从而让芯片植入到体内更深和更狭小的位置......

“这些问题看起来互相制衡,但这就是研究的魅力。”

项目第一作者施辰在展示该研究成果。

项目第一作者施辰在展示该研究成果。

施辰本科毕业于华盛顿大学,获得生物工程和电子工程双学位。从小就对生物感兴趣的他,选择了进一步钻研生物和电子的交叉学科。在哥伦比亚大学读博期间,他还参与过脑机接口和神经调节芯片等项目。展望未来,他希望能继续在生物电子学领域深耕,开发出真正能临床应用的微型医疗仪器,为病人提供更安全方便的生理学信号的监测和分析用于疾病的诊断和康复。

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