【知】“侵入”人体的电子设备

　　约兰·古斯塔夫松所在的团队是家名为 Acreo 的电子公司，和全球许许多多的团队一样致力于将人的身体和感应器联结起来。古斯塔夫松说，汽车都配备了顶尖的感应器、计算机和复杂的信息交流系统。现代交通工具之所以不会突然出现灾难性的崩溃，就是因为这些系统在尚能轻松解决问题时就发出了警告。

 　　“为什么在我们自己的身体上却看不到这样的景象呢？”古斯塔夫松思索道。他们描绘了这样一个未来：人类的身体也和预警装置连接起来，就像汽车一样。

　　古斯塔夫松团队和瑞典林雪平大学的研究者们已经开发出了基于皮肤表层的和植入式的两种感应器，以及一个体内的内联网。

　　与多数已经在体内使用的起搏器和其他电子设备不同，新一代的设备在设计上试图做到与身体组织共同运行，而不是相互分离。但是要使它们成为有机的一体并不是件容易的事，特别是对材料科学家们来说。他们必须将电路急剧地缩小，做出柔软的、可拉伸的、不被身体感应到的电子装置，还要想到创新的方法，在身体内做出与外界系统联结的端口。要想使这些设备夜以继日地监测并治疗身体，还同时要求新的供电方式和新的信息传送方式。如此，古斯塔夫松的愿景才有可能实现。

深至皮肤

电线连接的生命

　　如果能克服一些望而生畏的挑战，植入身体的感应器能够在人们的疾病恶化之前就给出警告。

　　左：安装在皮肤上的感应器在装卸上都很容易，并能获得关于呼吸、心率和其他生命体征的高质量信息。但它们必须得十分柔软且易拉伸，才跟得上身体的自然运动。

　　右：注射进皮肤的感应器能够获得在血液中藏匿着的化学信号。这种装置必须有很长的寿命并且有很好的生物相容性，这样才不会引发免疫系统的反应。

　　要超越可穿戴设备，第一步将会是在皮肤上直接安装无线感应器。这些感应器可以从皮肤上获取一系列的体征信息，包括温度、脉搏和呼吸频率等。“不幸的是，作为生物，我们的身体会弯曲拉伸，还会膨胀，” 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学家约翰·罗杰斯说，这意味着用僵硬的硅晶片电子元件来做的传统感应器是一个糟糕的选择。

　　所以他的团队开发了一种“表皮电子元件”。这种装满感应器的粘贴式膜片非常灵活，可以生物降解，使用者几乎感觉不到它的存在，像贴着一次性纹身一样。

　　这种贴片正在厄巴纳的卡尔基金会医院进行临床试验，用来对新生儿重症监护病房里新生儿的生命体征进行监测，这就摆脱让人不胜其烦的电线和扫描器，预计结果很快就会出来。

　　罗杰斯做的贴片相对较小，但在东京大学，工程师染谷隆夫也已经研制出一种承载感应元件的电子皮肤。他直接扔掉了硅电子的那一套，而使用十分柔软的有机碳基聚合物和其他材料。这些有机电路能直接被打印在一张塑料胶片上，这让大量生产变得便宜又简单。不仅如此，它在高温和潮湿的环境下也能正常工作。

　　这种皮肤模式也激发了斯坦福大学工程师鲍哲楠的灵感。她的团队制作出一种非常薄的压力传感器，这些传感器能够用于监测通过动脉的压力波的速率。这样就能暴露出血管硬度是否增加，预测可能的心脏病突发。

　　植入心脏、大脑或者其他更深处组织的装置会直接从源头获取信息，并在需要的情况下输送药物或触发刺激。但它们需要在不借助电线的情况下想办法获得电力并输出信息。

　　虽然安装在皮肤表面的贴片非常有用，但只有更深入身体内才能获得更多的信息。但是探索得越深，新的挑战也会越多。斯特拉诺觉得，理想的话，表皮下的感应系统不仅要无毒，还要能在需要的情况下，在身体里稳定工作很多年，而且还得有生物相容性——即感应系统不能激发身体免疫系统的反应。可是目前的装置都或多或少地有缺陷。比如说，在血液里常常被用作探测化学信号，即生物标记物，通常使用降解速度很快的生物材料。

更深入身体

　　尽管如此，一些研究者的目标仍然是更深入身体，对他们来说，灵活性和生物相容性变得更为重要。

　　法国圣艾蒂安高等矿业学院的生物电子工程师 George Malliaras 正和同事们研制更为柔软灵活的感应器，以替代当前相对僵硬的感应器，并在体内跟踪癫痫患者或帕金森综合症患者的脑电图像。

　　这个小组最新的研究成果已经通过大鼠实验，并在两名癫痫患者的外科手术中进行了临床试验。试验证明，他们的设备能够探测到个体神经元放电。如果这一过程能够被逆转，那么感应器将可以应用于输送药物。

　　Malliaras 的团队正在与林雪平大学以及法国国家卫生与医学研究院合作，试图将他的癫痫感应器与一个可以对癫痫发作产生感应的离子泵连接在一起，把治疗癫痫的药物释放到正确的脑区。伯格伦和林雪平大学团队已经利用类似的技术研发出一种“疼痛起搏器”，可以直接把镇痛剂传输到脊椎神经。

解除电能限制

　　任何电子设备都会因为电源问题而受到限制。处在皮肤上或皮肤附近的设备能够通过天线进行无线充电，只要周围有电源。但处在身体深部的设备常常就只能依靠电池了，而电池通常又是一大坨，还得不时更换。而有一些设备，例如伯格伦的止痛泵，线路常常需要穿过几层组织，整个过程不仅相当费神，而且还带来感染的可能性。

　　为了解决此类问题，亚特兰大佐治亚理工学院的纳米科学家王中林在过去十年曾试图想办法收集人在走路，甚至在呼吸时产生的微量机械能。经过长长的思索，王中林最新的设计利用静电将我们呼吸的动能转化成电能，以驱动起搏器。当使用者呼吸的时候，两个复合面不断接触分离，交换电子——就像用羊毛布摩擦气球所产生的效果一样。这样，积聚的电荷创造了线路里的电流。“呼气吸气，往前往后，蹲下站起，你都在发电”，王中林说。

　　从 2014 年开始，王中林开始在大鼠身上测试该系统，并通过这个几张纸厚的设备得到了毫瓦的电力。现在他的团队正在猪身上测试该技术。

威胁个人隐私

　　这些技术可能是革命性的，可是通过体内的电子线路向外界计算机或者医疗中心传输信息也面临着威胁，这一威胁已经在可穿戴产业出现——黑客。“当一个半导体芯片被植入身体之内，黑客确实是一个严重的问题”，染谷隆夫说。

　　无论这些设备多么棒，。药剂供应商也担心，这些设备万一出了问题，他们将被卷入各种诉讼，“这使得采用新材料的进程迟迟无法向前”。

　　伯格伦与 Acreo 的合作者率先尝试将人类与各种电子设备连接在一起。但他们欣然承认，愿景要变为现实，需要多个企业和研究团队的合作，同时还需要保险公司与医疗供应方的参与。

　　伯格伦明白，现在还有很多阻碍。“难就难在如何把各个环节融合在一起”，他说。“但是，他们在汽车行业里已经做的很成功。你很少在路边看到成队的车辆等待修理。同样的事能不能在人身上成功还是个问号，但它绝对值得一试。”

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来源/知识分子

原出处/《Nature》2015年12月3日

原标题/ the body electronic

作者/小虫  翻译  陈晓雪 校译

主编、监制/振华

责编/田家筱

制作/兰宇、滕跃升

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