中國科學家發明「蠶絲硬碟」，或將開啟晶片存儲新紀元

近日，上海科學家推出全球首款「蠶絲硬碟」，將半導體材料與生物介質融合，發明出一種可以同時記錄數字信息和生物信息的新科技存儲硬碟。5000年的古老生物見證了中華文明的歷史，如今成為數據的存儲介質，在未來科技裡重獲新生。

世界是二進位單元，由無數個0101組成，1956年，世界上第一個硬碟驅動器出現（機械硬碟），存儲信息時以電磁鐵改變旋轉磁碟上磁性材料的極性，由極性磁頭在硬碟上以正負兩極的寫入以「0」和「1」，實現數據寫入。1980年，日本發現快閃記憶體技術並由此發明固態硬碟，因使用穩定、運行速度快、容量大等特點，至今仍作為信息處理的主流硬體設備。

進入21世紀，利用分子結構進行編碼的各類生物存儲技術相繼出現。2020年，可同時存儲數字信息、生物信息的新一代蠶絲蛋白存儲技術驚豔問世。蠶絲蛋白硬碟不但能儲存數字信息，還能儲存生物信息，包括血液、DNA等人體差異化生物信息。

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中國科學院上海微信通與信息技術研究所研究員，上海微系統所2020前沿實驗室主任陶虎介紹：

從溶解後的蠶絲中提取蠶絲蛋白，以蠶絲蛋白溶液作為起始材料，通過一系列生物製造技術成硬碟、傳感器、光學器件等。這是一種區別於蠶絲紡織品的新科技材料、新技術路線。

通過納米加工技術，將蠶絲蛋白作為介質，生產高密度二進位的納米圖形，通過讀取納米圖形的二進位記錄與讀取信息。在容量方面，實驗室已經做到和普通臺式機硬碟相等。在技術優化後，可實現現有容量10倍以上。

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由於蠶絲蛋白沒有電學介質，在強磁場、強輻射與極端條件（高溫、低溫、高溼度）下可以正常工作，具有綜合性的應用優勢，通過這種技術可以應用的場景包含多種。

·部分醫療診室或設備在工作時不允許金屬異物進入，應用蠶絲蛋白硬碟存儲器，可以實現在核磁共振等怕磁幹擾的高端儀器設備中，讓所有人都能正常進行身體檢查。

·相比地球，外太空存在強烈的宇宙射線、真空環境、高低溫驟變等極端情況，蠶絲硬碟可在外太空等極端條件下實現信息存儲與運輸，相比傳統的半導體硬碟，在信息存儲與運輸上能夠完美克服這些極端挑戰。

無處不在的宇宙射線（圖片來源：Sohu）

中華醫學會神經外科分會候任主委，復旦大學附屬華山醫院院長毛穎表示：

臨床手術中為判斷腦內的情況，會通過外科手術將外物（異物）傳感器植入腦內。目前使用的材料多為化工、金屬製品，長期停留腦內會有存在一定機率會導致腐蝕並釋放有毒物質，因此臨床上希望找到一種更接近人體的材料進行替代。

經處理的蠶絲蛋白免疫原性會降低，獲得與人體更好的相容性，是一種很好的傳感器介質材料，在信息存儲、信息傳輸、信息重現等獲取方式上。科學家一直致力於在現有儲存技術的基礎上突破材料與加工技術，實現新型生物儲存技術開發。

由STM和Hmicro公司聯合推出的單晶片生物傳感器 （圖片來源：Sohu）

傳感器重要的就是信息獲取、信息存儲、信息傳輸、信息重現。科學家考慮在現有儲存技術的基礎上突破材料與加工技術，實現新型生物儲存技術開發。醫院委託上海微系統研究所研發一種傳感器，希望能夠在大腦裡記錄一些信息，比如腦積液的溫度、各元素含量。通過傳感器的高效引導，將其實時數據用於其他更多的研究中，同步傳輸與儲存設備中，形成資料庫和交互網絡。希望可將蠶絲蛋白作為傳感器的介質或接觸材料，這對臨床醫生的日常工作或科研項目都有很大的幫助。

作為一種介質材料，蠶絲就像一個「百變金剛」，我們有時需要用到它的「硬度」，有時需要用到它的「柔韌性」，因具備優異的組織相容性，蠶絲蛋白可根據需求開發人體支架、人工腦膜等外物器官。

·解決核磁共振、CT等情況下，人體植入金屬（鈦合金等）材料導致的圖像偽影問題——頜面部、大腦的神經外科應用前景較廣闊。

·解決植入人體的金屬（不鏽鋼、鈦合金）骨釘需二次手術取出的問題。

·為防止堵塞，在心臟、大腦血管內安裝金屬支架，導致一些身體檢查不能正常進行——金屬異物在一些高磁場儀器工作時會發生位移情況。

·希望材料既保留金屬的足夠支撐力，又能夠實現可控降解，長期或短期內在人體內留存且不會產生排異反應，降解後的產物亦可被人體安全吸收。

蠶絲（絲素）蛋白微納米纖維多孔支架 （圖片來源：xjishu）

從結繩記事到竹簡紙張，從計算機儲存到光碟刻錄，儲存信息的工具經歷了幾千年變革，生命科學與半導體技術融合為信息技術帶來了全新思路，各種基於生物介質的存儲技術應運而生。而生物存儲技術也被科學家認為是下個時代的主流信息存儲方式。

·高容量DNA存儲技術由來已久，通過血液中的鹼基存儲二進位信息，理論存儲極限是傳統硬碟的幾十萬-幾百萬倍，這也是DNA存儲的最大優勢。然而，DNA存儲信息時的輸入和讀出並非一套系統，因此多用於特別高容量儲存（單純存儲，不能時常讀取信息）。

·蠶絲蛋白存儲器的讀取技術基於傳統光學讀取（半導體硬碟磁頭讀取），與現代的主流讀取技術相對更加兼容，無需過多升級優化，可以直接使用在現代設備中，科學家通過加速老化試驗發現蠶絲蛋白硬碟的使用壽命可達6年以上。是一種經過開發後能夠真正實現日常使用的儲存硬體。

「不同硬度蠶絲蛋白的臨床應用」

腦外科手術中，顱骨固定裝置（骨釘、連接片）需要硬度較高的材料，這一材料會在病人骨頭自我修復過程中（6~12個月）逐漸降解，在骨骼完全康復的時間點前實現完全降解。而腦外科手術中的人工腦膜則需要一種很軟且永遠不會降解的材料，終身伴隨人體，不會產生任何排斥反應。

常規醫療骨釘由金屬或鈦合金材料製成 （圖片來源：58pjy）

針對以上特定需求，中科院上海微系統所於2017年成功研製出蠶絲蛋白骨釘，並在此基礎上繼續研發各類人體植入或實現替代的組織器官。未來或將可沿用至醫美整形產業。

·鼻假體——永不降解

·人造皮膚——短期可控降解

·人造韌帶、人造血管、人造外周神經——長期可控降解

過去，蠶絲蛋白主要用於臨床級的組織創面修復，而以蠶絲蛋白製作高端醫療器械產品，目前國內還尚處於試驗階段（技術已領先全球），其本身的成本遠低於現在所用的傳統材料，我國是全球第一產絲大國，蠶絲來源豐富，蠶絲在未來或將成為國際上的硬通物資實現流通。

相對於傳統行業，科技的發展正在不斷突破人們的想像，「蠶絲硬碟」技術的誕生，不但標誌著信息存儲方式的發生變革，未來或許有可能與人腦協同運作，配合植入的傳感器+儲存器，實時分析大腦的語言功能功、記憶功能、情感功能並記錄儲存。通過開發「蠶絲硬碟」將加速人類對大腦的探索與開發，快速的分析、歸檔、儲存功能或將逐步延伸到到教育、醫療等民生產業中，實現剛性需求的快速開發。而這也是為什麼蠶絲蛋白材料被科學家譽為「最有希望的生物材料之一」的重要原因。

「參考資料」

20200913《未來邀請函》：蠶絲植入人體當「硬碟」

「介紹嘉賓」

中華醫學會神經外科分會候任主委

復旦大學附屬華山醫院院長

毛穎

中國科學院上海微信通與信息技術研究所研究員

上海微系統所2020前沿實驗室主任

陶虎

完整視頻連結：http://www.kankanews.com/a/2020-09-13/0019519096.shtml