蚕丝只能为衣裳？这位科学家脑洞大开，把它用在了脑机接口和植入式医疗器械蚕丝是一种古老的纺织材料

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蚕丝是一种古老的纺织材料，你可知道蚕丝还能做传感器材料？中科院上海微系统所副所长陶虎研究员不仅把蚕丝蛋白用在了脑机接口和植入式医疗器械，还在研发仿生类的人工智能传感器与芯片。
多年来，陶虎一直致力于信息技术和生命科学的基础前沿交叉研究，将蚕丝从传统纺织材料成功转化为新型医用和信息功能材料。他已在国际知名期刊《科学》《自然》及其子刊等发表学术论文80余篇，其中入选封面文章26篇，论文总被引超过15000次。
日前，陶虎荣获2020年度上海市青年科技杰出贡献奖。
【最大限度地利用大脑，最小限度地损伤大脑】
“人类的大脑就像一个超级计算机，成人大脑有800多亿个神经元，组成了一个庞大复杂的网络，但神奇的是，大脑的功耗只有20瓦，跟一个电灯泡差不多。如何利用大脑本身来进行一些新探索，非常重要。 ”陶虎告诉解放日报·上观新闻采访人员。
脑机接口，作为人类大脑和外界设备直接沟通的渠道，可以读取脑、调控脑，是当下国际脑科学前沿研究的重要工具，也是脑功能探索和脑疾病诊治的核心关键技术。脑机接口技术的核心难点之一，在于怎么样最大限度地利用大脑，与此同时最小限度地损伤大脑。
然而，当前的脑机接口技术面临“植入创伤大”“通道数不足”“长期记录稳定性差”三大挑战。脑电采集一般是非侵入模式，但信号质量比较差，从大脑深处通过脑膜、脑积液、颅骨、头皮等传递出来，衰减散射得厉害，因此它的信噪比、时间分辨率和空间分辨率都不够。如果要实现一些更加复杂的功能，还是要做植入式，但可能会带来创伤，此外还要保证植入后在体内长期的安全性和稳定性。
能否从材料入手，来改善脑机接口技术？“蚕丝蛋白不仅天然抗菌、可降解，而且机械性能好，简直就是天生的传感器材料。 ”陶虎说，他过去一直和微纳器件打交道，了解到蚕丝蛋白可用于生物医学上的组织修复后，顿时脑洞大开：蚕丝蛋白能否和传感器相结合呢？
把蚕丝蛋白用在电极上，陶虎团队开发出了“免开颅微创植入式高通量柔性脑机接口系统” ，目前已成功应用于鼠、兔、猴等多种动物模型。

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制图：黄海昕
“马斯克公司研发的脑机接口技术中柔性电极需要钢针辅助插入，我们独创的这个系统可以把柔性电极暂时硬化，在头颅上打个微孔后电极可以自体插入，无需钢针的辅助，而电极插入脑部后又会变软，对大脑的损伤很小。 ”陶虎说，这种柔性电极可免开颅微创植入颅内，创伤直径小于0.7毫米。
接下来，他们希望能进一步把植入式创口直径减小到0.5毫米。临床上一般认为创口直径小于0.5毫米，人体可自愈。这是一个什么概念？我们平时去医院抽血用的针头就是直径0.45毫米大小。
陶虎透露，其实他们的柔性电极宽度只有不到0.1毫米，而厚度只有0.001毫米，但受限于钻头本身的尺度，因此他们正在设计生产直径更小的机械钻头，同步还在考虑激光钻孔。 “我们定的长远目标是创口直径0.3毫米以下，这与针灸针头的直径差不多，也是人们普遍可以接受的程度。 ”

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制图：黄海昕
除了减小植入伤口，提高带宽也很重要，带宽越大，读取和调控的神经元就越多。这种柔性神经电极已实现晶圆级批量制造，单器件最高可集成上千通道脑电信号采集通路。电极植入后能够实现术后急性信号采集和长期稳定神经信号跟踪。