一美分硬幣能裝30000個?康奈爾大學研發「草履蟲」傳感器可植入人體

2020-12-05 騰訊網

新智元報導

來源：techxplore

編輯：夢佳、雅新

神學家們一直在探討一個很無聊的問題，一個針尖上可以站多少天使在舞蹈。

現在新的問題來了，一個硬幣上可以放多少個微型傳感器。

康奈爾大學納米電子學的研究人員最近開發出了一種微型傳感器，非常微小，可以在一美分硬幣的一面安裝3萬個。團隊論文，「使用光學無線集成電路的微型傳感器」，4月17日發表在美國國家科學院院刊上。

網友評論說，Yuval Harari 所說的故事將要變成現實了。

這個小物件兒基本上只有單細胞生物草履蟲那麼大。而且可以監測活體組織當中的數據。看起來還真有那麼點兒像...

草履蟲

暢銷書《人類簡史》作者，以色列歷史學家尤瓦爾·諾瓦·赫拉利 (Yuval Noah Harari)去年曾經在訪談中表示，

「數以百萬計的微型納米機器人和傳感器監測人體內發生的事情。他們可以發現癌症或某些傳染病的徵兆，並為保護人體健康與這些危險做鬥爭。」

「而這套系統不僅可以監控患病出錯的身體部位；它還可以監控人的情緒，情感和想法。這意味著一套外部系統可能比本人更了解自己。」

恐懼、憤怒、愛情，或任何人類的情感，最終都不過是一種生物化學過程。

試想把這種傳感器，植入到人體組織當中，是不是可以體察到很多細枝末節的微妙訊號呢？

有機和無機的結合，帶來更多哲學的思考。當機器可以感知機體的每一個變化，你的喜怒哀樂，一顰一笑都會反映成信號。

把這種傳感器放進身體裡，是不是就像一個變小的蟻人？

也有網友評論，怎麼判斷自己體內已經有了這種傳感器，真是細思極恐。參看以下腦洞評論，還有人把它比喻成《聖經》啟示錄裡的獸印...

麻雀雖小，五臟俱全

這些微型傳感器麻雀雖小，五臟俱全，配有集成電路、太陽能電池和發光二極體(LED) ，能夠利用光，進行發電和傳輸通信。

它們是大規模製造出來的，每個8英寸的晶圓片上有多達100萬個晶圓，每個設備的成本也只相當於一枚硬幣的幾分之一。

物理學家Paul McEuen，電子與計算機工程副教授Alyosha Molnar，和康奈爾大學博士後Alejandro Cortese博士共同設計了一個平臺，用於生產他們的光無線集成電路(OWICs)——100微米大小的微型傳感器，人眼只能看到一個小斑點，可能還沒臉上的毛孔大。

「從某種意義上說，打造這樣的微型傳感器是我們一直以來的一個想法，」McEuen說，他是康奈爾大學納米科學和微系統工程(NEXT Nano)工作組的聯合主席。「大小縮小了一個數量級以後，就可以大規模製造了。」

把LED裝冰箱一共分幾步

OWICS其實相當於一個草履蟲大小的智慧型手機，甚至可以安裝APP。但是和手機不同的是，研究人員並沒有依賴繁瑣的無線電技術通信，而是用光作為通信媒介。

說到光，就不得不提傳感器裡面的一個重要元件，就是LED。

納米技術領域，在矽晶片上放置微型電路相對來說比較容易，McEuen 說，但是添加 LED 比較難，因為它是由一種特殊材料砷化鎵製成的。為了將 LED 轉移到有電子元件的晶片上集成起來，研究人員開發了一種複雜的裝配方法，需要15層以上的光刻法，30種不同的材料和100多個複雜的步驟。

上圖顯示了一個電壓感應 OWIC，它能放進一枚硬幣背面的林肯紀念堂內。圖片來源: Alejandro Cortese

而且本來就不是看的見摸的著的東西，操作這種傳感器，必須得是在顯微鏡下面。所以就需要對納米尺度和微米尺度有個清晰的直覺。

傳感器懂你：從身心到靈魂

OWIC可以在比較複雜的環境中測量電壓和溫度，比如活體組織和微流體系統當中。比如，一個裝有神經傳感器的 OWIC 能夠記錄體內的神經信號，並通過 LED 閃爍顯示的編碼信號來傳輸結果。

為了進一步驗證，研究小組與應用與工程物理學教授、論文合著者克裡斯 徐(Chris Xu)的實驗室合作，成功地將一個帶有溫度傳感器的 OWIC 嵌入大腦組織，並將結果無線傳輸了出來。

Mceuen，Molnar 和 Cortese 已經成立了他們自己的公司 OWIC Technologies，並計劃將微傳感器項目商業化，目前已提交專利申請。

這種OWIC微小，成本低，可以在更複雜的環境裡用較低能耗完成任務，也會在此基礎上衍生出各種新一代的微傳感器。

微型傳感器是迄今為止最為成功並最具實用性的微型機電器件。正是因為它具有體積小、重量輕，性能好，成本低等特點，才得以在日常生活中廣泛應用。

在這個數位化時代，我們可以用微型傳感器創建電子標籤，將其附加到產品上，能起到標識識別、物流跟蹤、信息採集等作用。

同時超微傳感器可以實時追蹤人體內任意器官、肌肉結構、甚至是神經組織，能夠檢測到包括心跳，呼吸頻率和肺部的聲音。此外，它可以檢測用戶的身體活動，並將其與從心臟和肺部獲取的數據進行同步，以監測身體總體健康狀況。

將微型傳感器依靠附著在皮膚上來記錄心臟的活動，血液流動以及其他器官健康。

微傳感器嵌入納米機器人應用到了醫學領域。它可以在人體內自由行動，直接鎖定並消滅病毒，還可以越過阻塞的動脈或腫瘤直接向器官輸送藥物。還能夠輔助外科醫生做毫米級視網膜開刀手術。

更有趣的是，在2016年，麻省理工和慕尼黑工業大學將傳統摺紙藝術和現代科技相結合，推出了一款微型摺紙機器人。這款機器人不僅能摺紙，而且能跑、能遊泳、還能搬運東西。

就在不久前，加州大學伯克利分校的工程師們開發出一種沙粒大小的傳感器：neural-dust，可被植入到神經或器官附近，利用超聲波供電和傳輸數據，讀取身體數據。neural-dust可以作為無線供電的植入大腦晶片，這類研究有望用於下一代的控制假肢、外骨骼和機器人，以及通過大腦-機器接口來治療大腦和身體的疾病。

近日，麻省理工研發出可以將電子傳感器嵌入到彈性織物中，從而能夠製造出可用於監測重要生命體徵（例如溫度，呼吸率和心律）的衣服。

這種內置傳感器的衣服不僅可以機洗，而且還可以將其取下並轉移到其他衣物上。從外觀上看，它就是一件我們通常穿的衣服。但從內部看，你可以看到觸及皮膚的微傳感器。

研究人員在健身房鍛鍊時對內置傳感器的衣服進行了測試，讓他們監測人體溫度、心率和呼吸頻率的變化。過程中研究人員可以觀察到身體不同部位的溫度變化，以及這些變化之間的關聯。

嵌入衣物中的傳感器可以將監測到的數據無線傳輸到智慧型手機上。研究人員表示，這種傳感器對於遠程醫療也有極大的幫助，可以遠程監測患者的健康狀況。

這些微型傳感器，仿佛在不知不覺中體察著你身體甚至心靈上的變化，這個未來你期待嗎？

參考連結：

https://techxplore.com/news/2020-04-tiny-sensors-penny-transmit-tissue.html

https://zhuanlan.zhihu.com/p/57407216

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