圖片說明：NFC（近距離無線通訊技術）是世界上第一個可植入式的NFC標準的射頻識別（RFID）芯片。

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美國正在研發大腦植入，以恢復受損者記憶。 （資料圖片）

    當人們還在討論谷歌眼鏡等可穿戴設備時，可植入設備已漸行漸近。皮下植入設備正收集被植入者的體溫等基本生物計量數據,并通過藍牙實時進行數據傳輸；能恢復失明病患視力的視網膜植入等設備也紛紛揭開神秘面紗……

    事實上，可植入設備愈來愈受到諸多研發人員的青睞。不過，可植入設備的價值還遠不止于此，不僅在醫療領域，它在提升人類對外部世界感知能力層面也發揮著舉重若輕的作用。那么，究竟什么是可植入設備？核心技術是什么？應用前景怎樣？讓我們跟著專家尋找答案——

    微芯片是核心難更換是關鍵

    “可植入設備是指需要通過手術植入人體或動物體內的電子設備，例如心臟起搏器，人工耳蝸，腦刺激器，動物標簽等。”清華大學微電子學研究所集成電路與系統設計室主任張春告訴記者，與可植入設備有所不同，可穿戴設備是指便攜式的、用來采集人體的心跳、血壓、心肺音等生理參數，或進行交互的電子設備。例如手腕式的血壓計、計步器、谷歌眼鏡等。

    用中國科學院聲學研究所副研究員郭志川通俗的話來說，可植入設備相對于可穿戴設備的區別是，可植入設備一般會植入到生物體組織內部；而可穿戴設備則便于攜帶，即“可穿戴設備可直接穿在身上，或是整合到衣服或配件上”。

    可植入設備根據相應功能，主要由傳感器、芯片和精密機械部件組合而成。而微芯片幾乎是所有可植入設備必備的元件之一。

    與消費電子類產品不同，由于對安全性、可靠性以及集成度等方面的特殊要求，可植入設備的微控制芯片一般不會采用市場上通用的商用微處理器，而是會專門為此研發定制芯片。“以胃電刺激器為例，微控制芯片能在特定的時間，輸出一定頻率和幅度的電脈沖，刺激胃部肌肉收縮，抑制胃的蠕動，使患者有飽感，從而減少食物攝入量，達到減肥的效果。”張春表示，微控制芯片還可以接收來自體外的無線電遙控命令，改變刺激脈沖的參數和發放時間，以適應不同的患者和不同治療階段的需求。

    可植入設備一旦出現故障和危險，只能通過手術取出更換，會給患者造成較大的創傷。更何況，一些可植入設備，例如人工耳蝸，植入后會和人體組織結合在一起，所以是不易更換的。因此，可植入設備在整個生命周期內都不能出現故障，所以對可靠性、安全性有極高的要求。

    “核心的微控制芯片除了具備所要求的基本功能外，還需要采用各種安全加固技術，保證硬件的安全性和可靠性以及軟件的穩定性。這樣的芯片，對設計人員的要求則非常高。”張春坦言，目前能從事這種高標準、高要求的芯片設計的公司很少。以人工耳蝸為例，目前，全世界僅有三家公司達到了商業化的水平。

    目前來說，那些在人體皮膚下植入一個微小的芯片，微芯片中記錄著其本人的各項基本資料的“人體芯片”也發展很快。郭志川表示，現階段“人體芯片”可作為無線射頻識別電子標簽技術在人體中廣泛應用。“實際上，它是一種利用無線射頻識別技術開發出來并可以順利植入肉體的芯片，里面裝有芯片、天線以及信息發射等裝置，以便對應人類身體之外不同的接收裝置。”郭志川補充道。

    醫學領域最高端 健康功能最受益

    “應用于醫學領域的可植入設備是生物醫學工程領域的前沿高端產品。”中國生物醫學工程學會理事長、北京航空航天大學生物與醫學工程學院院長樊瑜波舉例說，例如大家熟悉的心臟起搏器、腦神經刺激器（也稱為腦起搏器，用于治療帕金森綜合癥或其他運動障礙，治療腦部病變等）、人工耳蝸、迷走神經刺激器等，均已經在現實生活中普遍應用。

    “心臟起搏器是可植入設備中較為重要和成功的應用之一，目前在國內外已經非常廣泛。”樊瑜波告訴記者，目前，世界范圍內，美國美敦力起搏器所占的市場份額最大，而國內在這方面做得比較好的企業是北京樂普醫療。

    樂普醫療總經理蒲忠杰曾在公司業績說明會上表示，公司的腎動脈射頻消融導管仍處于臨床研究，而雙腔起搏器自2013年8月開展臨床試驗后已接近完成。據了解，腎動脈射頻消融導管是一項能夠有效治療頑固性高血壓的新技術，目前由美國美敦力公司領先研發。在去年三季報中，樂普醫療披露了腎動脈射頻消融導管已開展超過30例的臨床試驗。

    而對于雙腔起搏器，蒲忠杰介紹說，該產品是樂普醫療子公司秦明醫學的研發重點。“目前國內涉及心臟起搏器的手術一年有5萬至6萬例，其中使用一半以上的產品是雙腔起搏器，平均價格在5萬元左右。”他說，隨著國產品牌的推出，產品價格將向下調整。

    能恢復失明病患視力的人工視覺系統也廣受關注。“該設備由一個小小的視頻攝像機、影像處理單元（VPU）、發射眼鏡以及植入型視網膜假體所組成，它可以取代視網膜退化細胞的功能，改善和提高病患者對圖像和運動的感知能力。”樊瑜波補充說，影像處理單元（VPU）會將微型視頻攝像機的圖像轉換成電數據從而無線傳輸到人工視網膜上。

    目前國外一些研究人員已經發明了一種輕薄而柔韌電子設備，并可以像“假紋身”一樣貼在皮膚上或植入人們的皮下組織。據了解，摩托羅拉公司研發的“電子文身”由超薄電極、傳感器、無線電源、電子元件和通信系統組成。“這些設備目前可測量佩戴者的心率、血壓、皮膚的溫度等關鍵數據。而這些指標有助于專業研究人員跟蹤佩戴者的健康情況。”樊瑜波說。

    此外，“讓你不迷路”的“左撇子”指南針也是重要的應用之一。電子工程師、分子生物學黑客布萊恩·麥考伊則設計出了首款植入式指南針。這款名為“左撇子”的指南針的工作原理是：將一個超微型指南針封入一塊硅套內，套上一個圓形的鈦外殼，隨后將其植入人體皮膚下。與此同時，一個超薄的細須露在套外，當使用者面朝北方時，這一細須便會被激活，輕微刺激皮膚以便感知方向。

    謹慎面對難題 樂觀看待前景

    盡管可植入設備作為當下最熱門的生物醫學工程技術之一，但仍有不少專家在接受記者采訪時表現出謹慎并樂觀的態度。

    “制約可植入設備發展的首先是技術問題。”張春表示，就拿核心元件微芯片來說，一些芯片的設計，比如應用數據公司的VeriChip，是一種“無源芯片”，即一般情況下不需要能量，它只是一個信號的載體，只有當附近的儀器對其進行掃描的時才能發出相關信息。“要廣泛地使用這項技術，還必須研制出能夠將人體能量轉變為電能的電源及高科技芯片，使之能夠和遠距離設備交互數據。此外，未來是否真的可以研制出更多的‘有源芯片’，可隨時向外界發出信息，也是研究者們需要攻克的主要技術難題之一。”張春說。

    樊瑜波則認為，目前可植入設備最為擔心的一個重要問題是植入電極長期刺激周圍細胞組織導致細胞組織改變，從而導致電極與周圍組織的信號傳遞問題等。“具體來說，在電極使用若干年后，在長期電刺激和外來異物的刺激下，它周圍的細胞組織會發生一些復雜的生物學響應和演變，細胞的種類、組織的特性會發生復雜的變化，將導致電傳導信號衰竭等一系列問題。”

    不過，盡管面臨重重困難，可植入設備的發展前景依舊光明。“從提高生活質量以及人機交互的效率和便利性出發，可植入設備在未來的應用前景也十分廣闊。”張春表示，電子科技發展的最終目是為了改善生活質量。在常規的藥物治療無法治愈疾病時，采用可植入設備就是必需的手段了。

    “可植入設備的未來潛在應用主要還是在醫學領域。”郭志川表示，但這項技術未來的發展和應用前景，不僅僅取決于技術突破，還取決于公眾對這一新興事物的接受程度，及對其潛在風險的認識。

    或許有一天，人們即便老了也會“耳聰”“目明”，能夠擁有“千里眼”“順風耳”，不必觸摸也能感知外界的溫度；或許你在家中小區，揮揮手就能鎖上自己房門，搖搖頭就能將愛車從地下車庫駛出，眨眨眼就能在家中傳送辦公文件……