美国马里兰大学(University of Maryland)纳米中心(NanoCenter)的研究人员表示,可将电信号转换为离子电流的“反向”(inverted)电池,能够提供完美的人机接口(HMI)。这种离子电流能够产生基于离子的电能,用于人脑神经元到神经元间的突触。该校NanoCenter最近展示了一种使用植物纤维以提供离子通道的有机原型。 rcj_Machine-to-Man_1_1501100968 在植物中培养的磷光细胞如同反向电池提供的离子电流一样发亮 (来源:美国国立卫生研究院(NIH)国家糖尿病、消化病和肾脏疾病研究所(NIDDK))

研究人员解释,藉由反转电池提供电能的方式——从电力转换成离子,而非离子转为电力——可建构出用于刺激大脑神经元的人工突触,从而取代起搏器、人工视网膜与人工耳蜗等当今医疗植入式设备使用类似科学怪人Frankenstein般的直接电刺激。

马里兰大学助理研究科学家Chengwei Wang说:“这种反向电池设计采用类似于传统电池内部的离子电流,可用于连接生物系统。在神经元中的信号传输牵涉到离子的传输,因此,如果结合人工突触,这种反向电池就能用于连接神经元。” 170727_rcj_image3_1501131412 Liangbing Hu

马里兰大学教授兼电能储能能源纳米结构先进研究中心主任研究员Liangbing Hu表示,不只是人类的神经系统采用离子电流传达和控制内部功能,每个生物体也是一样的。研究人员们声称,在展示中使用了植物中的离子通道,以刺激所培养的磷光细胞,使用较目前直接电刺激更大幅降低的电量,模拟这种通用的机制。 rcj_Machine-to-Man_2_1501101161 马里兰大学研究人员提出的软性离子导电薄膜 (来源:Liangbing Hu)

Chengwei Wang说:“人类大脑消耗的功率相当低,相较于电刺激,我相信直接的离子连接所需要的电压将会更低,就能产生特定的离子电流。”研究人员认为,其概念验证计划中所展示的原则还可以在工作转移至机器对机器(M2M)通讯之前,延伸至治疗“阿兹海默症”(Alzheimer’s disease)、临床抑郁症和类似疾病。Wang还预测,这种方法还有助于为治疗癌症的病痛提供有效的药物和基因递送。

对于NanoCenter的实验,在草叶中移动养份的通道充满了锂离子,而当锂离子受到电刺激时会从一端移动到另一端。同样的原理可以应用于充满离子的人造突触中;来自电路的电刺激将使离子移动到突触的一端,其中的电流可以传递到连接到人类神经元的自然突触,从而实现理想的人机界面(HMI)。

整个神经系统都能使用这种离子电流系统,在每个器官中产生电场。研究人员指出,相较于目前所使用的直接电刺激,其电压必须超过阈值才能刺激神经元,而采用产生离子电流的径则几乎可在任何电压下进行。

该研究团队目前正尝试使用纤维素、水凝胶和聚合物等材料打造各种不同的离子导体,制作用于人工突触的离子电缆。Wang说:“未来,我们将专注于开发离子电导率高、机械强度好且具有生物兼容性的离子电缆。”美国能源部(DoE)为这项研究提供了资金。有关这项研究的更多细节可参考《自然通讯》(Nature Communications)期刊中发布的“反向电池设计实现连接生物系统的离子产生器”(Inverted battery design as ion generator for interfacing with Biosystems)一文。

编译:Susan Hong

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

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