納米探針技術助力半機器人時代早日來臨

（圖源：Tattoodo）

彭濤編譯

半機器人在通常意義上指的是指利用科技改造後的人類，科幻電影《攻殼機動部隊》《戰鬥天使阿麗塔》《鋼鐵俠》等對半機器人都有過精彩的描述與演繹。其中最為經典的形象便是鋼鐵俠，「他」擁有鷹的眼睛、狼的耳朵、豹的速度和熊的力量。

《鋼鐵俠》

隨著人工智慧、生物技術和神經科學的進步，以及人類增強技術和假肢技術的進步，人與機器的融合正在突破各種瓶頸，取得飛躍式發展。未來，大腦植入晶元可以改善我們的記憶，手指植入晶元可以替代密碼和鑰匙，四肢植入外骨骼可以增強力量……人機深度融合的半機器人時代可能很快就要來臨，日後要「開個腦洞」不僅關乎想像力的運用，或許還會得到機器晶元的加持。

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納米探針：大腦神經與機器晶元的橋樑

要想讓半機器人從科幻變成現實，技術上的關鍵是如何把人類大腦神經細胞發出的信號準確無誤地傳遞給機器上的晶元，晶元接收到信號後控制機器產生相應的動作。這一路徑的實現就需要為人類大腦神經細胞和機器晶元之間架起一座信息交流的橋樑，腦機介面（BMI）便是這一領域的前沿課題。

最近，腦機介面領域又有了新的進展，哈佛大學、薩里大學、延世大學的研究人員設計了一種可伸縮的超小型三維納米線晶體管（U-NWFET）探針，這個令人難以置信的「設備」非常小，通過它可以清晰記錄人類心臟細胞和初級神經元的內部活動。

U型納米線可以記錄大腦或心臟細胞內的電壓大小，而不會造成任何損傷。設備比它們大100倍，而且會在記錄後殺死細胞。

（圖源：Lieber Group, Harvard University）

超小型的u型納米探針不光可以記錄細胞和初級神經元的內部活動，這些設備非常小，其中用到的硅納米線直徑只有15納米，比人體細胞小得多（最小的淋巴細胞直徑是幾個微米），因此在探測過程中不會對細胞造成損傷。

探測系統由不同曲率的多個探針組成，具有多通道記錄信息的能力。研究人員通過調節探針的位置、大小和幾何形狀（包括U型納米線的曲率和探針尖端的感測件長度），系統地研究了這些參數如何影響探針記錄細胞內的電生理信號。

圖a：通過U-NWFET探針記錄細胞內電生理信號，探針採用確定性形狀控制的納米線傳輸技術，可以很好地調節每個探針的尺寸、幾何形狀和感測件的尺寸。

圖b：兩種可能的探針－細胞介面界面：（i）U型納米線的曲率半徑最小，探針尖端的FET感測元件的長度最短，完全密封在細胞膜上，可記錄到細胞內高振幅電壓信號；（ii）U型納米線的曲率半徑較大，探針尖端的FET感測元件的長度較長，部分封閉在細胞膜上，只能記錄到細胞內減弱的電壓信號。

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技術應用價值與前景

英國薩里大學的趙雲龍博士說：「這項技術可以協助專業醫療人員更好地了解我們的身體狀況，幫助延長人類的壽命。從長遠來看，人與機器之間的融合與交互是不可避免的。我們的超小型、靈活的納米線探針是一個非常強大的設備，它們可以測量細胞內的電生理信號，這項技術可以與膜片鉗技術相媲美。該設備是可伸縮的，它不會引起很大的不適，不會對細胞有致命的損害（比如細胞質膨脹）。」

美國哈佛大學化學與化學生物學教授查爾斯·利伯認為：「這項研究解決了把合成納米器件集成到大規模晶元和晶圓陣列的難題，能在細胞內長期無損傷地記錄細胞的電生理信號。從長遠來看，這項研究促進了高解析度腦機介面技術的發展。」

薩里大學的拉維席爾瓦教授認為：「除了促進細胞的電生理信號監測技術的發展外，這項技術還為腦機介面技術的發展奠定了基礎。」

除了在腦機介面領域的重要應用價值以外，這一研究還可以應用於醫學領域。研究人員表示，可以利用納米探針尋找細胞癌變的信號，進而將細胞分類為癌變細胞或非癌變細胞，並且通過相應的機制引導探針摧毀癌細胞。此外，該技術還可以幫助診斷阿爾茨海默氏症和帕金森症等神經疾病。

參考文章

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/07/190703121358.htm

Scalable ultrasmall three-dimensional nanowire transistorprobes for intracellular recording. Nature nanotechnology, 2019

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