加載于人體的新裝備

沈臻懿

讓失語者開口說話的人工喉

喇叭、麥克風(fēng)等聲學(xué)設(shè)備，在我們?nèi)缃竦纳钪须S處可見。從器件功能的角度來說，喇叭作為發(fā)聲器件，可單向發(fā)出聲音，但無法接收聲音;反之，作為收聲器件的麥克風(fēng)，則僅僅只能感知和接收聲音。這一系統(tǒng)功能的局限性和單一性，在人體器官上同樣有著類似的反映。我們都知道，即使是喉頭、聲帶等人體發(fā)聲器官，同樣只能發(fā)出聲音。若是要感知聲音，還必須借助于另外的聽覺器官。

那么，有沒有這樣一種設(shè)備，可以同時將聲音的發(fā)出與聲音的感知集成于一體呢？這一新器件的出現(xiàn)，不僅可以彌補傳統(tǒng)收、發(fā)聲器件單一、分立的缺陷，對于先天失語者、喉頭切除病患等殘障人士來說，無疑更是一大福音！

有科學(xué)家在實驗室研究中發(fā)現(xiàn)，多孔石墨烯的材料優(yōu)勢，完全可能滿足新器件收、發(fā)同體的要求。此外，多孔石墨烯帶給人們的驚喜還遠遠不止這些。現(xiàn)有的聲學(xué)設(shè)備多采用硬質(zhì)材料所制成，很難直接穿戴于人體之上。不過，多孔石墨烯具有柔性的材料特點，可用于可穿戴設(shè)備的研發(fā)。

研究人員將單層石墨烯薄膜進行組合，并采用激光直寫技術(shù)制成了多孔石墨烯材料。由于多孔石墨烯的結(jié)構(gòu)對于壓力尤為敏感，能夠?qū)θ梭w喉嚨在發(fā)聲時的輕微振動進行感應(yīng)，故可利用壓阻效應(yīng)來接收這一聲音信息。同時，多孔石墨烯還有著低熱容率和高熱導(dǎo)率的特性，這能使其利用熱聲效應(yīng)發(fā)出一定頻譜的聲音。因此，通過多孔石墨烯材料發(fā)明出的“人工喉”設(shè)備，在單器件上融合了發(fā)出聲音、接收聲音和柔性可穿戴的三種功能。

然而，殘障人士，尤其是先天失語者喉嚨發(fā)出的輕微振動，與人們通常意義上的喉嚨發(fā)聲并不相同。考慮到不同人的喉嚨振動所帶來的阻值變動各不相同，“人工喉”設(shè)備在使用之前，首先需要結(jié)合失語者自身的發(fā)聲特點，將不同強度、不同頻率的聲音進行“破譯”并形成特定的編碼語言。在此基礎(chǔ)上，“人工喉”設(shè)備就能夠?qū)韲蛋l(fā)出的那些振動進行感知和分析，并將原本并無含義的“特殊聲音”，轉(zhuǎn)換為強度、頻率可控的聲音，從而能夠幫助失語者“說出話”。

由于“人工喉”設(shè)備的柔性特性，其加載于人體時，可以有著不同的選擇模式。其一就是將“人工喉”設(shè)備直接植入人體內(nèi)部。如果覺得這一方式較為煩瑣，則可以選擇體外穿戴的方式。具體來說，就是將“人工喉”設(shè)備做成貼片，直接貼敷在喉嚨處進行使用。

可降解的內(nèi)置電子植入件

對于植入式醫(yī)療，想必大部分人都不會陌生。通常有人因骨折受傷，需要植入鋼板進行治療，就屬于典型的植入式醫(yī)療。除此之外，植入式電子醫(yī)療設(shè)備也同樣屬于植入式醫(yī)療的范疇。與傳統(tǒng)的電子醫(yī)療設(shè)備相比，植入式的電子器件不僅體積更為小巧、使用更為方便，且能夠?qū)崟r對人體的健康狀況進行監(jiān)測。

不過，現(xiàn)有的植入式電子醫(yī)療器件盡管有著諸多優(yōu)勢，但其基本都由含金、銀、銅、鋁等難以降解的金屬材料所制成，無論是電子醫(yī)療器件的植入，還是更換或取出，都需要借助于手術(shù)的方式來加以實現(xiàn)，有時難免會因手術(shù)而對人體造成二次傷害。為了消除因植入、更換及取出所引發(fā)的多次手術(shù)，避免電子器件長期滯留人體體內(nèi)而帶來的副作用，人們也在不斷探索植入式電子醫(yī)療器件的“更新?lián)Q代”。

近年來，研究人員針對生物的相容性，嘗試?yán)玫鞍踪|(zhì)、可降解金屬、DNA等可降解材料，來研發(fā)可降解的內(nèi)置電子植入件。目前，一款由蛋清與可降解金屬制成的電子器件已然問世。該器件的核心部分是一層雞蛋白，上下電極則由鎂、鎢兩種金屬所制成。當(dāng)這一電子醫(yī)療器件被植入人體后，可以對損傷愈合、生命體征、疾病情況進行監(jiān)測和跟蹤，并通過無線方式將信息發(fā)送給醫(yī)生和患者。其可以反復(fù)讀寫百余次，在干燥條件下，器件內(nèi)的信息能夠保存90天左右。

人們只要將可降解的內(nèi)置電子器件植入體內(nèi)后，就基本不再需要考慮后續(xù)工作。當(dāng)可降解內(nèi)置電子植入件完成自己的監(jiān)測、檢查使命后，其不同于當(dāng)前的植入式電子醫(yī)療設(shè)備，不需要采用手術(shù)方式進行取出。可降解內(nèi)置電子植入件只需與人體體液接觸后，僅僅在三天時間內(nèi)，器件幾乎就能完全被人體體液所溶解并吸收，最終排出體外。這一過程不僅不需要借助專門的器件取出手術(shù)，且不會給人體帶來任何的負(fù)面作用。

除了前述可降解內(nèi)置電子植入器件外，蛋白質(zhì)、可降解金屬、DNA等可降解材料還可用于更多的疾病診斷與治療領(lǐng)域。值得期待的是，這一新技術(shù)一旦成熟并普及，人們不僅可以減少因儀器檢查所帶來的時耗與痛楚，還可更為快捷、更為精準(zhǔn)地對自身體征進行監(jiān)測和跟蹤。

模仿人類皮膚的“電子皮膚”

包裹在身體表面、與外界直接相接觸的皮膚，高度敏感、有彈性且活躍。皮膚中的痛覺、觸覺、溫度等感受，能夠?qū)⑼獠凯h(huán)境的刺激，以電脈沖信號的形式傳輸至神經(jīng)中樞，進而令皮膚能夠?qū)ν从X、觸覺等進行感知。人類皮膚的這一多功能生物特性，也讓科學(xué)家們看到了新的研究方向。如果能在皮膚感覺功能的基礎(chǔ)上，研發(fā)出一種性能更佳的“電子皮膚”，無疑對于人們的社會生活等方面有著極大益處。

在諸多材料中，柔性材料與人類皮膚最為接近。因此，在研發(fā)這種新型“電子皮膚”時，研究人員也選擇使用柔性材料作為基底。在此基礎(chǔ)上，通過專門的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，將各類傳感器以二維、三維的方式進行多功能集成。柔性材料的可拉伸特點，使得“電子皮膚”的感知、監(jiān)測范圍也可在一定范圍面進行拓展。同時，“電子皮膚”上的各個傳感單位都可獨自運作，并不會相互干擾。

“電子皮膚”所具有的可探測溫度、壓力及其他外界刺激的陳列和傳感器，可以感知到周邊環(huán)境內(nèi)的諸多生物、化學(xué)、物理等方面的信號。與人類自身的皮膚相比，有著科技力量支撐的“電子皮膚”，在綜合性能上已然更為強悍。其在各類傳感器的“功能加持”下，可以同時實現(xiàn)對于濕度、溫度、壓力、磁場、紫外線、應(yīng)變等多種外部環(huán)境刺激的感知與探測。

“電子皮膚”的自身優(yōu)勢，可以使其應(yīng)用于具有集成功能的智能化假肢、假體之上。將具有觸覺、痛覺等傳感器的“電子皮膚”包裹在假肢、假體上，不僅可以令智能化假肢、假體增添感知功能，還能使其感知外部環(huán)境變化，從而更有助于殘障人士的復(fù)檢與日常生活。殘障人士在穿戴擁有“電子皮膚”的智能化假肢、假體后，“電子皮膚”上的傳感器可以與安置于皮膚上的電極相連，借助于類似神經(jīng)傳遞信號的傳感方式，將觸感、疼痛感等各種感覺，通過“電子皮膚”傳遞給假肢、假體的穿戴者。

“電子皮膚”的未來應(yīng)用前景尚不局限于此。有研究甚至嘗試?yán)谩半娮悠つw”的柔性與可拉伸特點，研究出可直接貼附于人類皮膚之上的“電子文身”。這種“電子文身”可以直接替代當(dāng)前手機的電子錢包，只需要掃描皮膚上的“電子文身”，就可以立即完成支付功能。

編輯：黃靈 ?yeshzhwu@foxmail.com