马斯克的天才脑机接口计划

原创 硬件工程师看海 2021-08-02 07:16
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两年前,即:2019年7月17日,马斯克与其旗下神经技术公司Neuralink宣布,已实现神经外科机器人将直径几微米的“thread”(“线”状探针)植入实验鼠脑部,通过定制芯与外部设备通讯。该项目基于ASIC、运放、ADC、FPGA等技术手段实现,已成功实现多通道同步读取、放大脑信号并传输处理。

以往的研究已经可以实现神经假体控制电脑鼠标、机械臂等,但是这些研究使用的电极数量没有超过256个,这些电极数量有限,并且只放在大脑皮层,难以记录数以万计的神经元活动信息。

并且,很多植入大脑的电极是刚性材料,比如金属或者半导体,而Neuralink报道其使用的是柔性的聚合物探针,有助于缓解免疫反应,减小脑组织损伤。

为了让柔性探针更容易植入大脑,该研究团队还开发了一套完整的外科手术机器人,可以实现每分钟植入6条“线”状探针,每条有32个电极(electrode contacts),即每分钟可以植入大约192个电极。

金电极材料使用结构简单、能隙小、电导率高聚合物PEDOT和IrOx(氧化铱)来降低电生理学的阻抗,增加表面有效电荷承载能力,PEOT阻抗低,但是长期的稳定性和生物相容性却不如IrOx。

这些线状探针的主基板和介质是聚酰亚胺,上面有金薄膜线。研究团队设计了薄膜阵列,每个阵列包含了“线”状探针区和“sensor”传感器区,“线”用来采集原始信号,“sensor”区域集成了信号放大和ADC模块。

研究团队使用了晶圆级的加工工艺,一个wafer晶圆上有10个薄膜设备,而每个薄膜设备具有3072个电极。这些“线”以 (16 × 50) 平方微米的环结束,以适应针穿线。下图中每条“线”具有32个电极。

这种高密度通道微弱信号采集(3072通道@<10µVRMS),需要把放大器和数字化模块集成到薄膜阵列,否则对连接器和线缆要求将会非常严格。

研究团队设计的系统使用了12个ASIC,每个ASIC包括256个独立的可编程放大器,每一个被称为模拟像素,集成片上ADC、接口控制电路,放大器(模拟像素)可以高自由度配置,可以校准增益和修改滤波器属性,adc采样率19.3Khz@10bit,每个像素功耗为5.2uW,ASIC功耗大约6mW。

这些ASIC组成的系统中还包含一个FPGA,实时的温度、加速度和磁场检测传感器,使用USB C接口进行有线数据传输,整个系统被包装在钛金属外壳中,并涂有派瑞林 C来防潮层并延长使用寿命。

连接以太网的基站将来自这些systems的数据流转换为 10G  UDP 数据包,允许下游用户以多种方式处理数据,例如实时可视化数据、存储等功能。

然而这些“线”状探针,又软又细,为了便于安装以及减小出血,降低免疫反应,研究团队还设计并制作了专用外科机器人。机器人上的needle纫针由线性马达驱动,插入速度可调,可快速拔出,可以让纫针与线状探针迅速分离。pincher夹钳是50um的钨丝,在尖端被弯曲,可以水平和旋转移动,用来支撑和引导穿针引线。

inserter head植入机头有6个独立的光线模块,每个都能够用 405 nm、525 nm 和 650 nm 或白光独立照明。405 nm 照明激发来自“线”主基板聚酰亚胺的荧光,定位 “线”上(16 × 50) 平方微米的螺纹环。用 525 nm 光照射可以精确估计皮质表面的位置。

机器人将插入部位注册到头骨上公共坐标系,当与深度跟踪相结合时,可以精确定位大脑结构信息。该系统可以预先选择所有插入位置,从而能够规划、优化插入路径,以最大程度地减少线的缠结和应变,尽可能避免血管出血。机器人具有自动插入功能,每秒插入6条“线”(192 个电极),插入成功率:87.1 ± 12.6 %,并且兼容无菌罩,可以超生清洁纫针。

同时,也可以人工干预微调插入精度,避免微出血,微调后插入速度略降低,每分钟大约29.6条“线”。下图是植入机器人把“thread”插入“琼脂果冻”的过程。

为了让实验鼠自由活动,研究团队使用了换向电缆,并用在线检测算法实时处理数字信号来识别尖峰动作。

该设备是马斯克实现其脑机接口梦想的初号机,后续可以拓展到人体实验,实现脑信号的读取甚至是双向通讯,21世纪,是脑科学的世纪。在不久的将来,脑科学又会带来哪些震惊世界的突破呢?让我们拭目以待

---The end---

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