自适应微电子首次自主重塑并检测环境

灵活和自适应微电子被认为是新的和更有效的生物医学应用的创新驱动力。例如，这些包括治疗受损的神经束、慢性疼痛或控制假肢。为此，电子设备和神经组织之间的密切接触对于有效的电气和机械耦合至关重要。此外，潜在的应用来自于生产微小而灵活的手术工具。

由德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所 (IFW) 综合纳米科学研究所所长、开姆尼茨理工大学纳米电子学材料教授 Oliver G. Schmidt 教授领导的国际团队和纳米膜材料、结构和集成中心 (MAIN) 的发起人，以及博士鲍里斯·里夫金 (Boris Rivkin)。Schmidt 教授小组的学生现在首次证明，这种自适应微电子能够以受控方式定位自己、操纵生物组织，并通过分析传感器信号对其环境做出反应。以 Rivkin 为第一作者的结果发表在Advanced Intelligent Systems杂志上. 自适应微电子学中首次结合动态过程的不同特性

到目前为止，微电子结构不可能同时感知和适应它们的环境。虽然有带有应变传感器的结构可以监控自身的形状，带有磁传感器的微电子器件可以在空间中定向，或者可以通过电活性聚合物结构控制运动的设备，但这些特性的组合可用于在动态变化的生物体中的应用。微米尺度，即远低于毫米，迄今尚未报道。 自适应和智能微电子

这些应用的核心是一种聚合物薄膜，它只有 0.5 毫米宽和 0.35 毫米长，用作微电子元件的载体。相比之下，一枚 1 美分的硬币直径约为 16 毫米。在他们的出版物中，来自开姆尼茨理工大学和德累斯顿莱布尼茨 IFW 的团队现在展示了自适应和智能微电子技术，由于适当传感器的反馈，它们使用微观人工肌肉来重塑和适应动态环境。

传感器信号通过电连接馈送到微控制器，在微控制器中进行评估并用于生成人造肌肉的控制信号。这使得这些微型工具能够适应复杂且不可预测的解剖形状。例如，神经束总是有不同的大小。自适应微电子技术可以轻轻地包围这些神经束，以建立合适的生物神经接口。

对此至关重要的是将形状或位置传感器与微致动器相结合。因此，自适应微电子是在所谓的“单片晶圆级工艺”中制造的。“晶圆”是由硅或玻璃制成的平面基板，在其上制造电路。单片生产允许在一个基板上同时并行制造许多组件。这实现了快速且同时更具成本效益的生产。人造肌肉产生运动——可用于有机环境

开姆尼茨和德累斯顿的研究团队开发的聚合物薄膜只有 0.5 毫米宽和 0.35 毫米长。它充当微电子元件的载体，并配备有人造肌肉和传感器。这使其能够感知周围环境、识别物体并适应不同的形状。图片来源：IFW 德累斯顿/开姆尼茨理工大学

自适应微电子的运动和重塑是通过人造肌肉(即所谓的“执行器”)实现的。它们通过喷射或吸收离子产生运动，从而重塑聚合物薄膜。

该过程基于聚合物聚吡咯 (PPy) 的使用。这种方法的优点是可以有针对性地以非常低的电偏压(小于 1 伏)对形状进行操纵。人造肌肉在有机环境中使用也是安全的这一事实在过去已经被其他团体证明过。这涉及在与医疗应用相关的各种环境中测试微型机器的性能，包括脑脊液、血液、血浆和尿液。

未来追求更复杂的微电子机器人

来自德累斯顿和开姆尼茨的团队预计，在中期，自适应和智能微电子将发展成为复杂的机器人微系统。Boris Rivkin 说：“关键的下一步是从以前的平面结构向三维微型机器人的转变。以前的工作已经证明了平面聚合物薄膜如何通过自组织折叠或滚动重塑成三维结构。我们将将自适应电子设备添加到此类材料中，以开发诸如机器人微导管、微型机器人手臂和可塑性神经植入物等系统，这些系统可按照数字指令半自主地运行。”

丹尼尔Karnaushenko博士，教授在奥利弗·施密特的研究小组组长，补充说，“这种复杂的微型机器人将需要大量的个人执行器和传感器。为了有效地适应，并在这样的密度使用的电子元器件是一个挑战，因为越来越多的电气连接是需要的空间超过可用空间。这将通过复杂的电子电路来解决，这些电路将在未来集成到自适应微电子中，以将适当的指令传递给正确的组件。”

这项工作也有助于机器人辅助手术的新兴领域，这可以实现侵入性更小但更精确的手术。可生成有关其形状和位置的可靠反馈的智能手术工具可能成为治疗脆弱组织不可或缺的一部分。

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