影集《黑镜》描述的未来世界，每个人耳后都有植入智慧芯片，仪器透过芯片就能读取人记忆，可随时播放、重播记忆画面。
影剧的人体植入智慧芯片看似很遥远，但已在现实世界见端倪。
今年5月哥伦比亚大学的科研团队先后在《Science Advances》和IEEE International Electron Devices Meeting（IEDM）等顶尖刊物和国际会议发表植入式芯片的研究成果，在微型化医疗仪器方面取得新进展。
团队研发出仅尘埃大小的全整合植入式微型感测芯片，借由超音波无线取得能量及传输数据，可监测生理学讯号。这称为“世界最小的单芯片系统”创造类似生物芯片的最小尺寸纪录。意味有可能透过针管注射将芯片植入人体，减轻移植过程的伤害。
▲ 芯片置于针头，显示微型尺寸和可注射性。（Source：Science Advances）
这“世界最小的单芯片系统”究竟如何打造的呢？
“芯片即系统”做医疗仪器
施辰毕业于哥大电子工程系，师从生物电子学领域先驱Kenneth L. Shepard教授。“读博期间，我和指导教授关注植入式医疗仪器领域。虽有不少仪器能在疾病诊断和治疗发挥作用，但这些仪器体积偏大，即使最小医疗器械也只能做到米粒大小，往往透过手术植入人体，势必造成一定程度创伤，因此我们希望借由缩小医疗仪器的体积降低排异反应，实现无感化微创移植。”施辰谈及决定进行研究的初衷时说。
植入式医疗设备经过一段时间发展形成多个分支，形成包括心血管、骨科、神经等多个细分赛道，既有替代人体器官的器械，又有疾病诊断用仪器。
“我们想探索植入式医疗仪器的尺寸极限。芯片即积体电路，将各种电路元件高度整合到微小的硅片上。我们在此基础上，将通常独立于芯片的感测器、换能器、分立的电路元件等部件进一步整合到芯片，成为完整的系统──“芯片即系统”，保证实现一定功能的情况下尽量减小体积。为了证明，我们选择医学检测较常见的温度测量。”
要注意的是，虽然体外测温非常成熟，但有重要医学意义的体内核心温度测量依然不能轻易取得。历经多年试验与研究，团队终于实现微型化医疗仪器的心愿，感测芯片体积仅0.065立方毫米，使用针头就能注入有机体，即时监测核心温度。
▲ 芯片与一美分硬币对比。
微型感测芯片主要由两部分组成，一部分用作超音波换能器的压电材料，可将音波转化为电能，另一部分收集超音波能量和测量体温的温度感测器芯片。
施辰自行设计的温度感测器芯片采用180奈米制程，由台积电试生产。拿到感测器芯片后，他再依据自研微制造制程，将一枚微型压电材料直接整合在芯片表面，没有使用任何外电路元件或焊线，做到“芯片即系统”概念和极小体积。
与传统芯片不同，植入式芯片还需保证芯片与有机体和谐共存，还要为这颗小小单芯片系统封装一层不会对有机体造成伤害的薄膜材料，才算完成的植入式芯片。
超音波实现无线供电和数据传输
这颗微型感测芯片又如何无线达成生理讯号监测？日常生活常见的无线供电和通讯基于电磁波射频技术。不过电磁波波长较长，很难帮这么小的芯片供电。
“由于音速远小于光速，同样频率的超音波比电磁波波长小很多，更容易搭配这颗感测芯片的尺寸，因此我们选择超音波无线传输能量和数据。同时一定能量范围，超音波对人体无害。”施辰说。
目前超音波在医疗领域应用也很广泛。
▲ 芯片置于鸡肉内的超音波图像，显示如何藉超音波定位芯片。（Source：Science Advances）
“当压电材料接收到超音波能量时，表面会产生电荷，积累的电荷透过芯片整流电路和稳压电路，从交流电转变为稳定直流电，驱动整个温度感测器。温度感测器由振荡电路组成，我们借由设计使温度越高，震荡频率越快；温度越低，震荡频率越慢。振荡电路输出透过晶体管调制压电材料的声阻抗，使传到压电材料后反射回来的超音波的振幅发生一定变化，变化频率就是温度感测器的输出频率。借由观察反射波的振幅变化，就能取得温度讯号，做到温度数据的无线传输和监测。”
下一步：更微型的植入式芯片和更多元化的生理信号监测
虽然取得突破性进展，但施辰也坦言目依然还有很多改进的地方：
压电材料具单向性，这意味如果芯片在有机体内旋转，超音波无法垂直传输到芯片，能量转换效率就会降低。
注射到有机体内很容易，但团队尚未研究如何取出芯片。不过他们认为有两条研究路径，一是透过有机体正常的新陈代谢排出体外，二是芯片小到能被细胞吞噬。研究目前处于实验室阶段，且仅在小鼠体内试验，不排除植入人体时会有新问题。
此芯片有更多可能性，长远目标是更用微小体积测量更多生理讯号，包括pH值、血压、血糖等。达成目标的过程还有很多问题需解决──如何找到效果更好的压电材料减少超音波传播过程的衰减的影响；如何进一步减小芯片体积，降低芯片功耗，让芯片植入体内更深更小的地方。
“这些问题看起来互相制衡，但这就是研究的魅力。”
▲ 施辰展示研究成果。
施辰本科毕业于华盛顿大学，取得生物工程和电子工程双学位。从小就对生物感兴趣的他，选择钻研生物和电子交叉学科。哥伦比亚大学读博期间，他还参与脑机界面和神经调节芯片等计划。展望未来，他希望继续在生物电子学领域深耕，开发出真正能临床应用的微型医疗仪器，为病人提供更安全方便的生理学讯号的监测，和分析疾病的诊断和康复。
- Application of a sub–0.1-mm3 implantable mote for in vivo real-time wireless temperature sensing
（本文由 雷锋网 授权转载；首图来源：Science Advances）
