受大脑启发的无线系统可从SALT大小的传感器收集数据

对于布朗大学工程师领导的科学家团队来说，微小的芯片可能相当于一个重大突破。

研究小组在《自然电子》杂志上撰文，描述了一种无线通信网络的新颖方法，该方法可以有效地传输、接收和解码来自数千个微电子芯片的数据，每个微电子芯片都不大于一粒SALT。

传感器网络的设计使得芯片可以植入体内或集成到可穿戴设备中。 每个亚毫米大小的硅传感器都模仿大脑中的神经元如何通过电活动尖峰进行通信。 传感器将特定事件检测为尖峰，然后使用无线电波实时无线传输该数据，从而节省能源和带宽。

“我们的大脑以一种非常稀疏的方式工作，”布朗大学博士后研究员、该研究的主要作者 Jihun Lee 说。 “神经元不会一直发射。它们压缩数据并稀疏地发射，因此非常高效。我们在无线电信方法中模仿这种结构。传感器不会一直发送数据 – 它们会只需根据需要以短脉冲形式发送相关数据，它们就能够独立于其他传感器，并且无需与中央接收器协调。通过这样做，我们将设法节省大量能源并避免我们的中央接收中心充斥着意义不大的数据。”

这种射频传输方案还使系统具有可扩展性，并解决了当前传感器通信网络的常见问题：它们都需要完美同步才能正常工作。

研究人员表示，这项工作标志着大规模无线传感器技术向前迈出了重要一步，有一天可能会帮助科学家们如何收集和解释来自这些小型硅设备的信息，特别是因为电子传感器由于现代技术而变得无处不在。

“我们生活在一个充满传感器的世界，”布朗大学工程学院教授、该研究的资深作者阿托·努尔米科 (Arto Nurmikko) 说。 “它们无处不在。它们肯定存在于我们的汽车中，存在于许多工作场所，并且越来越多地进入我们的家中。对这些传感器最苛刻的环境始终是人体内。”

这就是为什么研究人员相信该系统可以帮助为下一代可植入和可穿戴生物医学传感器奠定基础。 医学界对微型设备的需求日益增长，这些设备既要高效、不引人注目、不引人注目，又要作为大型整体的一部分来运行，以绘制整个感兴趣区域的生理活动图。

“就实际开发这种基于尖峰的无线微传感器而言，这是一个里程碑，”李说。 “如果我们继续使用传统方法，我们就无法收集这些应用程序在此类下一代系统中所需的高通道数据。”

传感器识别和传输的事件可以是特定的事件，例如它们正在监测的环境的变化，包括温度波动或某些物质的存在。

传感器能够使用尽可能少的能量，因为外部收发器在传输数据时向传感器提供无线电源，这意味着它们只需处于收发器发出的能量波的范围内即可充电。 这种无需插入电源或电池即可运行的能力使它们方便且多功能，可在许多不同的情况下使用。

该团队在计算机上设计和模拟了复杂的电子设备，并通过多次制造迭代来创建传感器。 这项工作建立在布朗大学 Nurmikko 实验室之前的研究基础上，该研究引入了一种称为“神经颗粒”的新型神经接口系统。 该系统使用微型无线传感器的协调网络来记录和刺激大脑活动。

“这些芯片作为微型微电子设备非常复杂，我们花了一段时间才做到这一点，”同样隶属于布朗大学卡尼脑科学研究所的努尔米科说。 “定制操纵这些传感器的电子特性的几种不同功能所需的工作量和努力量——基本上被压缩到硅的几分之一毫米的空间——并不是微不足道的。”

研究人员展示了他们的系统的效率以及它可以扩大多少。 他们在实验室中使用 78 个传感器测试了该系统，发现即使传感器在不同时间传输，他们也能够以很少的错误收集和发送数据。 通过模拟，他们能够展示如何使用大约 8,000 个假设植入的传感器来解码从灵长类动物大脑中收集的数据。

研究人员表示，下一步包括优化系统以降低功耗，并探索神经技术之外更广泛的应用。

“目前的工作提供了一种我们可以进一步发展的方法，”李说。