腦機介面、面板介面，微型晶片正為醫療健康開闢新路。

微型晶片，正成為開啟仿生之門的鑰匙

人腦擁有地球生物中最複雜的結構，晶片是各種電子裝置的核心，當自然的精妙之作與人類的智慧結晶接壤，或許能破解生命的奧祕。

一些科學家們執著於此。他們突破固有思維，探索人體的特徵，嘗試將晶片植入大腦、面板，以此解析生命訊號的更多可能。

在這場改變人類命運的長期求索中，有兩位天才科學家的研究工作頗具代表性。

腦機介面專家、斯坦福大學教授、神經假體系統轉化實驗室聯合主任 Krishna Shenoy，將晶片放入人腦，通過腦機介面解讀思維，讓失語者重新具備表達的能力。

“柔性電子之父”John A. Rogers 是少有的入選美國所有國家科學院（美國國家工程院、美國國家科學院和國家醫學科學院）的天才人物，他設計出能連線面板的電子裝置，可以精確測量各種人體指標，甚至能輔助新冠患者監測監控狀況。

無論是腦機介面，還是柔性電子面板，都通過研發對人體友好的新型計算機晶片，在為生命傳遞更多科技的溫度，向“數字永生”再邁進一步。

腦機介面：向大腦植入微型晶片，實現意念書寫

大約 3 磅重的人腦，是世間最神祕的構造之一。

如何傾聽和讀懂大腦的語言，幫助有相關障礙的病患？這是 Krishna Shenoy 一直在探索的事。

通過連線大腦去幫助有其它疾病或損傷的患者，有可能徹底改變整個醫學體系。

而微型晶片，在大腦損傷而導致某種活動無法實現時，也許能讓失明者重見光明、癱瘓者恢復運動能力。

晶片就像指甲或阿司匹林藥片那麼大，高度定製化，能耗極低，通過神經外科手術被植入大腦外層後，就能收集神經元發出的電訊號，並對其進行實時的數學計算。

Krishna Shenoy 展示的電極陣列中，每個電極 4 毫米見方，共有 100 個微型電極，每個長度 1.5 毫米，這組電極陣列就是該研究領域的核心，名為“猶他電極陣列”（Utah Electrode Array）。

通過手術在大腦開一個小口，然後快速地放入電極陣列，大概在大腦表皮以下 1.5-2 毫米處，這些電極的末梢緊挨著個體細胞和神經元，觀察其中一個電極，可以看到電壓和時間脈衝。

每次你想移動手臂的時候，你會從不同的神經元那裡獲得不同樣式的反饋。

為了對來自大腦的神經活動進行精準解碼，每個電極都接通至小型聯結器的不同面板上，聯結器非常小且位於大腦之上。

但我們可以想象一下不用這個聯結器，各種活動仍然可以進行，我們可以用一個小型無線電發射器來替代，就像手機中的藍芽或者 WiFi 裝置，這就是微型晶片。

這樣頭部面板能保持完整，頭髮可以完好無損。

最後一步，當我們想要在實驗室或使用者家中記錄這些訊號時，我們會放置一個小型的訊號擴大器，收集並放大這些極其微弱的訊號，然後傳輸至電腦中進行解碼。

“我剛才所說的這些，完全有可能在不久的將來，通過晶片得以實現。”Krishna Shenoy 說，“該領域的許多研究團隊和企業都在為此而努力。”

得益於相關機器學習和解碼演算法的進步，參與實驗的癱瘓患者，通過在大腦中想象寫字，意念操縱機器螢幕每分鐘生成大約 90 個字母。

這比此前用螢幕游標打字的速度快了 1 倍多，錯誤率從原來的 5% 降至 0.5%。

如此一項幫助失語者實現正常速度交流的重要進展，在今年 5 月登上科技頂刊 Nature 的封面。

表皮電子裝置：晶片走進面板，改變健康診療

類似的，“柔性電子之父”John A. Rogers 也致力於研究另一種“人體晶片”。

除了腦機結合外，他希望電子裝置也能夠用於人體的其它重要器官，包括心臟、面板。

面板是最大的人體器官組織，如果能將電子裝置與面板無感相連，則可以在任何日常環境下持續進行健康監測，傳遞和監控人體多個器官和系統的神經活動。

而這有一個前提：矽基晶片能變得像橡膠一樣柔軟，無創地與人體結合嗎？

當今的電子裝置都基於剛性平臺，也就是具有機械和幾何學特性的半導體晶片，你可以把它放在手機或電腦中，但你肯定不希望把這玩意塞進大腦裡、心臟周圍或者面板上。

因此，必須重新構建電子裝置，讓它像人體組織一樣與人體相容，這是 John Rogers 過去 15 年一直為之努力的目標。

生物的軟組織所具有的力學特性，既有柔性，還要能像橡膠一樣拉伸。所以，表皮電子裝置既要夠薄，又要有彈性。

如下圖幻燈片左邊所示，對於一個具有或不具有電子特性的矽片，可以在矽片上做出非常薄的矽帶矽薄膜和矽線，矽片上的奈米級矽帶就自然會變得柔軟。但它仍是矽，仍可被賦予高水平的電子效能，從而製造出可彎曲的精密電子裝置。

再看這張幻燈片的右半部分，把這些矽帶粘在柔軟的薄膜橡膠基片上，但並不是按平面放置，而是做成波浪形，形成一種軟硬組合材料。

矽是活性材料，下邊的基片具有與人體相容的電子特性，這樣就可以拉伸擠壓彎曲和打結，同時不會破壞矽材料本身，因為波浪狀可以隨著材料的變形而改變，這就和手風琴的原理類似。

矽帶的形狀不僅可以是波浪形，也可以像內部彼此連線的小彈簧，通過對這些軟硬結合材料進行力學量化建模，就可以設計電路來提供相應的電子功能，同時確保力學特性可以和面板相適應。

這樣，我們就有了非常薄、像臨時紋身般的人造面板。它具有面板的彈性、可拉伸性等特性，能置於人體任何部位的表皮，成為人體的一部分。

▲ 像面板一樣，但佈滿達到臨床監測級別的精密電子裝置。

面板是自然褶皺的，而電子裝置能很好地適應這些褶皺，毫無力學阻礙，介面處的壓力微乎其微，在安裝和移除的過程中幾乎不會對面板造成任何損害。

就像腦機介面一樣，你可以將這種非侵入式的可逆連線看作面板介面。它能精確測量各種人體健康指標，乃至達到重症監護室裝置的精度級別。

▲ 顯微鏡彩色照片：顯示了這些彎曲的活性電子結構如何適應表皮。

它們能在任何日常環境下工作，可用來監測心臟健康、精確跟蹤面板的水合作用、檢測血液脈衝流等，實現目前可穿戴裝置無法實現的功能。

目前全球多個團隊都在研發這樣的面板電子裝置，各種不同的感測器得以問世，這些感測器都可以用於這些平臺，相關的論文有幾百篇。

通過不間斷地進行監測，獲取足夠數量的資料，並通過機器學習來加以分析，這些表皮電子裝置已經開始在臨床發揮作用。

在印度巴基斯坦尚比亞肯亞和迦納，截至目前，已經有約 1 萬名嬰兒和孕婦使用了這些無線表皮電子裝置，能獲取全天重要生命體徵監測。

John Roger 團隊也分別針對孕婦、老年人等特定群體開發了柔性電子裝置，來監測其健康資料。其裝置還被應用在抗疫一線，通過監測咳嗽和呼吸，來監測新冠肺炎患者的健康狀況。

有了各種監測資料，未來，還有望確定一個人是否患病，這可以作為對傳統分子（化驗）方法的補充。

John Roger 相信，強大的數字裝置會得以廣泛應用，這種裝置是持續監測的、親膚的、沒有不適感的、簡單易用的，它基於機器學習和資料分析。他們在近期的 Science Advances 上發表了相關論文。

走向科技的詩與遠方

這些天才科學家們，正通過解碼生命的特徵。他們在 11 月 6 日舉辦的騰訊科學 WE 大會上，講述他們所洞察的未來。

每一年，都有許多位久久為功的科學家們站到演講臺上，分享大千世界的各種神奇密碼。他們中，有人仰望星空，試圖破解宇宙的玄妙；有人聚焦生命，鑽研模擬自然的可能。未來會是什麼樣的？沒有人能給出確切的答案。

但當聆聽這些科學家們的聲音時，我們可以短暫地忘記現實生活中的雜音，靜下心來，跟隨他們的腳步，去感受一段激動人心的求知歷程。在求知路上，他們正篤定地探尋曠野，走向科技的詩與遠方。