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在英劇《黑鏡》描述的未來世界里，每個社會人的耳后都被植入了一塊智能芯片，外界儀器通過這顆芯片就能存儲和提取腦海中的記憶，可以隨時播放、回看記憶中的畫面。
影視劇中的人體植入智能芯片看似很遙遠，但其實已經在現實世界初見端倪。
今年5月，一支來自哥倫比亞大學的科研團隊先后在Science Advances 和 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 等頂級刊物和國際會議上發表了一項植入式芯片的研究成果，在微型化醫療儀器方面取得新進展。
該團隊研發出一枚僅塵埃大小的全集成植入式微型傳感芯片，通過超聲波無線獲取能量以及傳輸數據，可用于監測生理學信號。維基百科稱之為“世界上最小的單芯片系統”，創造了類似的生物芯片的最小尺寸記錄。這意味著，未來有可能通過針管注射的方式將芯片植入人體，減輕移植過程給機體造成的傷害。
芯片放置于針頭的照片，顯示其微型的尺寸和可注射的特性
那么，這一“世界上最小的單芯片系統”究竟是如何煉成的？近日，AI科技評論有幸同該研究項目的第一作者施辰進行對話，了解這顆微型傳感芯片背后更多的秘密和細節。
用“芯片即系統”的思路做醫療儀器
施辰博士畢業于哥大電子工程系，師從生物電子學領域先驅Kenneth L. Shepard教授。
“讀博期間，我和我的導師關注到植入式醫療儀器領域。雖然已經有不少儀器能夠在疾病的診斷和治療方面發揮作用，但這些儀器體積偏大，即使是最小的醫療器械也只能做到米粒大小，往往通過手術植入人體，勢必造成一定程度的創傷，因此我們希望通過縮小醫療儀器的體積降低排異反應，實現無感化微創移植。”他在談及決定進行這一研究的初衷時說道。
事實上，植入式醫療設備經過一段時間的發展已經形成多個分支，形成包括心血管、骨科、神經等多個細分賽道，既有替代人體器官的器械，又有用作疾病診斷的儀器。
“我們想要探索植入式醫療儀器的尺寸極限。芯片，即集成電路，將各種電路元件高度集成到一枚微小的硅片上。我們在此基礎上，將通常獨立于芯片的傳感器、換能器、分立的電路元件等部件又進一步集成到芯片上，讓芯片本身成為一個完整的系統——“芯片即系統”，在保證實現一定功能的情況下盡量減小體積。為了證明這一思路，我們選擇的是醫學檢測里比較常見的溫度測量。”
需要注意的是，雖然體外測溫已經非常成熟，但有著重要醫學意義的體內核心溫度的測量依然不能輕易獲取。歷經多年的試驗與研究，團隊終于實現微型化醫療儀器的心愿，他們所研發的傳感芯片體積僅為 0.065 立方毫米，使用針頭就能注射進有機體，對體內核心溫度進行實時監測。
芯片與一分硬幣的對比照片
這枚微型傳感芯片主要由兩部分組成，一部分是用作超聲換能器的壓電材料，可將聲能轉化為電能，另一部分是用來收集超聲波能量和測量體溫的溫度傳感器芯片。
施辰自行設計的溫度傳感器芯片采用 180nm 工藝制程，在臺積電生產流片。拿到流片完成的傳感器芯片，他再依據自研的一套微制造工藝，將一枚微型的壓電材料直接集成在該芯片表面，沒有使用任何外置電路元件或者焊線，實現了“芯片即系統”的概念和極小的體積。
與傳統芯片不同，植入式芯片還需要保證芯片與有機體的和諧共存，因此，還要為這顆小小的單芯片系統封裝上一層不會對有機體造成傷害的薄膜材料，才能算是一顆完成的植入式芯片。
超聲波實現無線供電和數據傳輸
這顆微型傳感芯片，又是如何在無線的情況下實現生理信號監測的呢?日常生活中，常見的無線供電和通信是由基于電磁波的射頻技術實現的。不過，電磁波的波長較長，很難給如此小的芯片供電。
“由于聲速遠小于光速，同樣頻率的超聲波比電磁波的波長小很多，更容易匹配這顆傳感芯片的尺寸，因此我們選擇了超聲波來無線傳輸能量和數據。同時，在一定能量范圍內，超聲波對人體無害。”施辰說道。
事實上，目前超聲波在醫療領域的應用已經比較廣泛了，B超就是廣為人知的醫療應用之一。
芯片放置于雞肉中的超聲圖像，顯示如何通過B超定位芯片
“當壓電材料接收到超聲波能量時，表面會產生電荷，積累的電荷通過芯片內部的整流電路和穩壓電路，從交流電轉變為穩定的直流電，從而驅動整個溫度傳感器。溫度傳感器由一個振蕩電路組成，我們通過一定的設計，使得溫度越高，震蕩頻率越快；溫度越低，震蕩頻率越慢。這個振蕩電路的輸出通過一個晶體管來調制壓電材料的聲阻抗，使得傳到壓電材料后反射回來的超聲波的振幅發生一定變化，而變化的頻率就是溫度傳感器的輸出頻率。通過觀察反射波的振幅變化，就能獲取溫度信號，實現溫度數據的無線傳輸和監測。”
下一步：更微型的植入式芯片和更多元化的生理信號監測
雖然取得突破性進展，但施辰也坦言，該項目依然還有很多可以改進的地方：
采用的壓電材料具有單向性，這意味著如果芯片在有機體內發生旋轉，超聲波無法垂直傳輸到芯片上，能量轉換效率就會降低。
注射到機體內是一件容易的事情，但團隊尚未在如何取出芯片上做更多的研究。不過，他們認為有兩條研究路徑，一是通過有機體正常的新陳代謝排出體外，二是芯片小到能夠被細胞吞噬。
另外，該項目目前依然處于實驗室階段，且僅僅只是在小鼠體內做過試驗，不排除在植入人體時會有新的問題出現。
這一項目未來還會有更多的可能性，長遠的目標是能夠在更微小的體積下測量更多的生理信號，包括但不限于體內的pH值，血壓，血糖含量等。在實現這一目標的過程中還有很多問題需要解決——如何找到效果更好的壓電材料來減少超聲波在體內傳播過程中的衰減所帶來的影響；如何進一步減小芯片體積，降低芯片功耗，從而讓芯片植入到體內更深和更狹小的位置......
“這些問題看起來互相制衡，但這就是研究的魅力。”
項目第一作者施辰在展示該研究成果
施辰本科畢業于華盛頓大學，獲得生物工程和電子工程雙學位。從小就對生物感興趣的他，選擇了進一步鉆研生物和電子的交叉學科。在哥倫比亞大學讀博期間，他還參與過腦機接口和神經調節芯片等項目。展望未來，他希望能繼續在生物電子學領域深耕，開發出真正能臨床應用的微型醫療儀器，為病人提供更安全方便的生理學信號的監測和分析用于疾病的診斷和康復。
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