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“反向”电池形成离子电流构造的人机接口,完美

时间:2017-07-28 作者:R. Colin Johnson 阅读:
美国马里兰大学的研究人员展示以植物纤维提供离子通道的有机原型,显示透过反向电池提供电能的方式,可建构出刺激大脑神经元的人工突触,从而取代直接电刺激…
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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。
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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))2HkEETC-电子工程专辑

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。2HkEETC-电子工程专辑

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。”
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Liangbing Hu2HkEETC-电子工程专辑

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。
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马里兰大学研究人员提出的软性离子导电薄膜 (来源:Liangbing Hu)2HkEETC-电子工程专辑

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。2HkEETC-电子工程专辑

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)。2HkEETC-电子工程专辑

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。2HkEETC-电子工程专辑

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。2HkEETC-电子工程专辑

编译:Susan Hong2HkEETC-电子工程专辑

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载2HkEETC-电子工程专辑

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R. Colin Johnson
EETimes前瞻技术编辑。R. Colin Johnson自1986年以来一直担任EE Times的技术编辑,负责下一代电子技术。 他是《Cognizers – Neural Networks and Machines that Think》一书的作者,是SlashDot.Org的综合编辑,并且是他还因对先进技术和国际问题的报道,获得了“Kyoto Prize Journalism Fellow”的荣誉。
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