大家好，很高興和各位一起分享我的第37篇原創(chuàng)文章，喜歡和支持我的工程師，一定記得給我點(diǎn)贊、收藏、分享喲。
加微信[chunhou0820]與作者溝通交流。
兩年前，即：2019年7月17日，馬斯克與其旗下神經(jīng)技術(shù)公司Neuralink宣布，已實(shí)現(xiàn)神經(jīng)外科機(jī)器人將直徑幾微米的“thread”（“線”狀探針）植入實(shí)驗(yàn)鼠腦部，通過(guò)定制芯與外部設(shè)備通訊。該項(xiàng)目基于ASIC、運(yùn)放、ADC、FPGA等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，已成功實(shí)現(xiàn)多通道同步讀取、放大腦信號(hào)并傳輸處理。
以往的研究已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)假體控制電腦鼠標(biāo)、機(jī)械臂等，但是這些研究使用的電極數(shù)量沒有超過(guò)256個(gè)，這些電極數(shù)量有限，并且只放在大腦皮層，難以記錄數(shù)以萬(wàn)計(jì)的神經(jīng)元活動(dòng)信息。
并且，很多植入大腦的電極是剛性材料，比如金屬或者半導(dǎo)體，而Neuralink報(bào)道其使用的是柔性的聚合物探針，有助于緩解免疫反應(yīng)，減小腦組織損傷。
為了讓柔性探針更容易植入大腦，該研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一套完整的外科手術(shù)機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)每分鐘植入6條“線”狀探針，每條有32個(gè)電極（electrode contacts），即每分鐘可以植入大約192個(gè)電極。
金電極材料使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能隙小、電導(dǎo)率高聚合物PEDOT和IrOx（氧化銥）來(lái)降低電生理學(xué)的阻抗，增加表面有效電荷承載能力，PEOT阻抗低，但是長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和生物相容性卻不如IrOx。
這些線狀探針的主基板和介質(zhì)是聚酰亞胺，上面有金薄膜線。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了薄膜陣列，每個(gè)陣列包含了“線”狀探針區(qū)和“sensor”傳感器區(qū)，“線”用來(lái)采集原始信號(hào)，“sensor”區(qū)域集成了信號(hào)放大和ADC模塊。
研究團(tuán)隊(duì)使用了晶圓級(jí)的加工工藝，一個(gè)wafer晶圓上有10個(gè)薄膜設(shè)備，而每個(gè)薄膜設(shè)備具有3072個(gè)電極。這些“線”以 (16 × 50) 平方微米的環(huán)結(jié)束，以適應(yīng)針穿線。下圖中每條“線”具有32個(gè)電極。
這種高密度通道微弱信號(hào)采集（3072通道@<10µVRMS），需要把放大器和數(shù)字化模塊集成到薄膜陣列，否則對(duì)連接器和線纜要求將會(huì)非常嚴(yán)格。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用了12個(gè)ASIC，每個(gè)ASIC包括256個(gè)獨(dú)立的可編程放大器，每一個(gè)被稱為模擬像素，集成片上ADC、接口控制電路，放大器（模擬像素)可以高自由度配置，可以校準(zhǔn)增益和修改濾波器屬性，adc采樣率19.3Khz@10bit，每個(gè)像素功耗為5.2uW，ASIC功耗大約6mW。
這些ASIC組成的系統(tǒng)中還包含一個(gè)FPGA，實(shí)時(shí)的溫度、加速度和磁場(chǎng)檢測(cè)傳感器，使用USB C接口進(jìn)行有線數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)系統(tǒng)被包裝在鈦金屬外殼中，并涂有派瑞林 C來(lái)防潮層并延長(zhǎng)使用壽命。
連接以太網(wǎng)的基站將來(lái)自這些systems的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為 10G UDP 數(shù)據(jù)包，允許下游用戶以多種方式處理數(shù)據(jù)，例如實(shí)時(shí)可視化數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)等功能。
然而這些“線”狀探針，又軟又細(xì)，為了便于安裝以及減小出血，降低免疫反應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)并制作了專用外科機(jī)器人。機(jī)器人上的needle紉針由線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，插入速度可調(diào)，可快速拔出，可以讓紉針與線狀探針迅速分離。pincher夾鉗是50um的鎢絲，在尖端被彎曲，可以水平和旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，用來(lái)支撐和引導(dǎo)穿針引線。
inserter head植入機(jī)頭有6個(gè)獨(dú)立的光線模塊，每個(gè)都能夠用 405 nm、525 nm 和 650 nm 或白光獨(dú)立照明。405 nm 照明激發(fā)來(lái)自“線”主基板聚酰亞胺的熒光，定位 “線”上(16 × 50) 平方微米的螺紋環(huán)。用 525 nm 光照射可以精確估計(jì)皮質(zhì)表面的位置。
機(jī)器人將插入部位注冊(cè)到頭骨上公共坐標(biāo)系，當(dāng)與深度跟蹤相結(jié)合時(shí)，可以精確定位大腦結(jié)構(gòu)信息。該系統(tǒng)可以預(yù)先選擇所有插入位置，從而能夠規(guī)劃、優(yōu)化插入路徑，以最大程度地減少線的纏結(jié)和應(yīng)變，盡可能避免血管出血。機(jī)器人具有自動(dòng)插入功能，每秒插入6條“線”（192 個(gè)電極），插入成功率：87.1 ± 12.6 %，并且兼容無(wú)菌罩，可以超生清潔紉針。
同時(shí)，也可以人工干預(yù)機(jī)器人微調(diào)插入精度，避免微出血，微調(diào)后插入速度略降低，每分鐘大約29.6條“線”。下圖是植入機(jī)器人把“thread”插入“瓊脂果凍”的過(guò)程。
為了讓實(shí)驗(yàn)鼠自由活動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)使用了換向電纜，并用在線檢測(cè)算法實(shí)時(shí)處理數(shù)字信號(hào)來(lái)識(shí)別尖峰動(dòng)作。
該設(shè)備是馬斯克實(shí)現(xiàn)其腦機(jī)接口夢(mèng)想的初號(hào)機(jī)，后續(xù)可以拓展到人體實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)腦信號(hào)的讀取甚至是雙向通訊，21世紀(jì)，是腦科學(xué)的世紀(jì)。在不久的將來(lái)，腦科學(xué)又會(huì)帶來(lái)哪些震驚世界的突破呢？讓我們拭目以待
---The end---