比盐粒还小的微型芯片未来有望改变医学传感器技术

对于布朗大学工程师领导的科学家团队来说，一种微型芯片的发明可能带来一项重大突破。研究小组在《自然-电子学》杂志上撰文，介绍了一种新颖的无线通信网络方法，这种网络可以从数千个微电子芯片中有效地传输、接收和解码数据，而每个芯片的大小都不超过一粒盐。

传感器网络的设计使芯片可以植入人体或集成到可穿戴设备中。每个亚毫米大小的硅传感器都模仿大脑神经元通过尖峰电活动进行交流的方式。传感器检测到特定的尖峰事件，然后利用无线电波实时无线传输数据，从而节省了能源和带宽。

布朗大学博士后研究员、该研究的第一作者李继勋（Jihun Lee）说："我们的大脑以一种非常稀疏的方式工作。神经元不会一直发射。它们压缩数据，稀疏地发射，因此效率非常高。我们的无线通信方法就是在模仿这种结构。传感器不会一直发送数据--它们只会在需要时发送相关数据，就像短暂的电脉冲一样，而且它们能够独立于其他传感器发送数据，无需与中央接收器协调。通过这样做，我们可以节省大量能源，避免中央接收器中心被意义不大的数据淹没。"

这种射频传输方案还使系统具有可扩展性，并解决了当前传感器通信网络的一个常见问题：它们必须完全同步才能正常工作。

研究小组在《自然-电子学》（Nature Electronics）杂志上撰文，介绍了一种新颖的无线通信网络方法，这种网络可以从数千个微电子芯片中高效地传输、接收和解码数据，而每个芯片的大小都不超过一粒盐。图片来源：Nick Dentamaro/布朗大学

研究人员说，这项工作标志着大规模无线传感器技术向前迈出了重要一步，有朝一日可能会帮助科学家们确定如何从这些小小的硅器件中收集和解读信息，特别是由于现代科技的发展，电子传感器已变得无处不在。

布朗大学工程学院教授、该研究的资深作者阿尔托-努尔米科（Arto Nurmikko）说："我们生活在一个传感器的世界里。传感器无处不在。它们当然出现在我们的汽车里，出现在许多工作场所，而且越来越多地进入我们的家庭。对这些传感器来说，最苛刻的环境永远是人体内部。"

因此，研究人员认为该系统有助于为下一代植入式和可穿戴式生物医学传感器奠定基础。医学界越来越需要高效、不显眼、不易察觉的微型设备，这些设备还能作为大型组合的一部分运行，以绘制整个相关区域的生理活动图。"

李说："在实际开发这种基于尖峰的无线微传感器方面，这是一个里程碑。如果我们继续使用传统方法，就无法收集到这些应用在这类下一代系统中需要的高信道数据。"

传感器所识别和传输的事件可以是特定的事件，如监测环境的变化，包括温度波动或某些物质的存在。

传感器之所以能够使用如此少的能源，是因为外部收发器在传感器传输数据时为其提供无线供电，这意味着传感器只需在收发器发出的能量波范围内就能获得充电。这种无需插入电源或电池即可运行的能力使它们在许多不同的情况下都能方便、灵活地使用。

研究小组在计算机上设计和模拟了复杂的电子器件，并通过多次制造迭代来制造传感器。这项工作建立在Nurmikko 在布朗大学实验室先前研究的基础上，该研究推出了一种名为"神经粒"的新型神经接口系统。该系统使用一个由微型无线传感器组成的协调网络来记录和刺激大脑活动。

"这些芯片是相当复杂的微型电子设备，我们花了一段时间才做到这一点，"隶属于布朗大学卡尼脑科学研究所的努尔米科说。"要定制操纵这些传感器电子特性的几种不同功能--它们基本上被挤压到硅片的几分之一毫米空间--所需的工作量和精力并不小。"

研究人员展示了他们系统的效率，以及该系统的潜在扩展能力。他们使用实验室中的 78 个传感器对系统进行了测试，发现即使传感器在不同时间传输数据，也能准确无误地收集和发送数据。通过模拟，他们能够展示如何利用约8000个假定植入的传感器，解码从灵长类动物大脑中收集到的数据。

研究人员表示，下一步工作包括优化系统以降低功耗，以及探索神经技术以外的更广泛应用。

李说："目前的工作提供了一种方法，我们可以在此基础上进一步发展。"

编译自:ScitechDaily