美國馬里蘭大學(University of Maryland)奈米中心(NanoCenter)的研究人員表示,可將電訊號轉換為離子電流的「反向」(inverted)電池,能夠提供完美的人機介面(HMI)。這種離子電流能夠產生基於離子的電能,用於人腦神經元到神經元間的突觸。該校NanoCenter最近展示了一種使用植物纖維以提供離子通道的有機原型。

20170728_HMI_NT01P1 在植物中培養的磷光細胞如同反向電池提供的離子電流一樣發亮 (來源:美國國立衛生研究院(NIH)國家糖尿病、消化病和腎臟疾病研究所(NIDDK))

研究人員解釋,藉由反轉電池提供電能的方式——從電力轉換成離子,而非離子轉為電力——可建構出用於刺激大腦神經元的人工突觸,從而取代起搏器、人工視網膜與人工耳蝸等當今醫療植入式裝置使用類似科學怪人Frankenstein般的直接電刺激。

馬里蘭大學助理研究科學家Chengwei Wang說:「這種反向電池設計採用類似於傳統電池內部的離子電流,可用於連接生物系統。在神經元中的訊號傳輸牽涉到離子的傳輸,因此,如果結合人工突觸,這種反向電池就能用於連接神經元。」

馬里蘭大學教授兼電能儲能能源奈米結構先進研究中心主任研究員Liangbing Hu表示,不只是人類的神經系統採用離子電流傳達和控制內部功能,每個生物體也是一樣的。研究人員們聲稱,在展示中使用了植物中的離子通道,以刺激所培養的磷光細胞,使用較目前直接電刺激更大幅降低的電量,模擬這種通用的機制。

20170728_HMI_NT01P2 馬里蘭大學研究人員提出的軟性離子導電薄膜 (來源:Liangbing Hu)

Chengwei Wang說:「人類大腦消耗的功率相當低,相較於電刺激,我相信直接的離子連接所需要的電壓將會更低,就能產生特定的離子電流。」研究人員認為,其概念驗證計劃中所展示的原則還可以在工作轉移至機器對機器(M2M)通訊之前,延伸至治療「阿茲海默症」(Alzheimer’s disease)、臨床抑鬱症和類似疾病。Wang還預測,這種方法還有助於為治療癌症的病痛提供有效的藥物和基因遞送。

對於NanoCenter的實驗,在草葉中移動養份的通道充滿了鋰離子,而當鋰離子受到電刺激時會從一端移動到另一端。同樣的原理可以應用於充滿離子的人造突觸中;來自電路的電刺激將使離子移動到突觸的一端,其中的電流可以傳遞到連接到人類神經元的自然突觸,從而實現理想的人機介面(HMI)。

整個神經系統都能使用這種離子電流系統,在每個器官中產生電場。研究人員指出,相較於目前所使用的直接電刺激,其電壓必須超過閾值才能刺激神經元,而採用產生離子電流的徑則幾乎可在任何電壓下進行。

該研究團隊目前正嘗試使用纖維素、水凝膠和聚合物等材料打造各種不同的離子導體,製作用於人工突觸的離子電纜。Wang說:「未來,我們將專注於開發離子電導率高、機械強度好且具有生物相容性的離子電纜。」美國能源部(DoE)為這項研究提供了資金。有關這項研究的更多細節可參考《自然通訊》(Nature Communications)期刊中發佈的「反向電池設計實現連接生物系統的離子產生器」(Inverted battery design as ion generator for interfacing with Biosystems)一文。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Ions Power Machine-Human Interface Demo,by R. Colin Johnson)