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實(shí)驗(yàn)室中，幾只頭戴電極帽的小鼠靈活游走。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員的電腦上同步顯示出五顏六色的波段——小鼠大腦發(fā)出的極為微弱的腦電信號(hào)，就這樣被完整記錄下來。能夠?qū)崿F(xiàn)這一切的玄機(jī)，藏于電極帽中一塊大小不足指甲蓋的芯片中。

就在前不久舉行的第八屆中國(guó)(上海)國(guó)際技術(shù)進(jìn)出口交易會(huì)上，經(jīng)由專業(yè)觀眾投票產(chǎn)生的上交會(huì)“十大人氣項(xiàng)目評(píng)選”結(jié)果出爐。在一眾優(yōu)秀展品中，復(fù)旦大學(xué)的“全無線侵入式64通道腦機(jī)接口芯片模組”項(xiàng)目脫穎而出，摘得“鎮(zhèn)館之寶”稱號(hào)。

值得一提的是，該項(xiàng)目研發(fā)成功前，國(guó)際上在該領(lǐng)域尚未有成熟先例。在IEEE國(guó)際電路與系統(tǒng)2019年會(huì)上，復(fù)旦團(tuán)隊(duì)發(fā)表的無線腦機(jī)接口芯片設(shè)計(jì)論文榮獲“生物醫(yī)療方向最佳論文獎(jiǎng)”。2020年，他們?cè)俣仍谶@一國(guó)際頂級(jí)科技會(huì)議上獲得“學(xué)生最佳論文獎(jiǎng)”。

該項(xiàng)目在單芯片上集成64個(gè)信號(hào)采集通道，實(shí)現(xiàn)了4米范圍內(nèi)64通道全帶寬神經(jīng)信號(hào)的24小時(shí)不間斷記錄。與國(guó)外同類商用產(chǎn)品相比，功耗降低了10倍，重量不足3克，成本僅為同類產(chǎn)品的一半。

這款中國(guó)大陸自研腦機(jī)接口芯片，厲害在哪?

認(rèn)知大腦被稱為生命科學(xué)最后的疆域。近年，中、美、歐等國(guó)家和地區(qū)紛紛啟動(dòng)腦科學(xué)計(jì)劃。采集并分析大腦活動(dòng)的電信號(hào)，是研究大腦的一種重要手段，而腦機(jī)接口芯片是相關(guān)科研儀器的核心部件。

該芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)核心成員呂良劍介紹，研究項(xiàng)目啟動(dòng)的2016年，國(guó)內(nèi)腦科學(xué)和類腦研究水平已經(jīng)很高，但擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)科研儀器卻很稀缺，大部分實(shí)驗(yàn)儀器依賴進(jìn)口，這促使他們想要自主研發(fā)一款國(guó)產(chǎn)腦活動(dòng)記錄儀器。

在上海市科委基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目支持下，復(fù)旦大學(xué)類腦芯片與片上智能系統(tǒng)研究院和華東師大腦功能基因組教學(xué)部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，根據(jù)神經(jīng)科學(xué)家確定的各類指標(biāo)需求，開始研發(fā)“芯片式無線腦活動(dòng)記錄系統(tǒng)”。系統(tǒng)由神經(jīng)電極陣列、無線腦機(jī)接口芯片、接收機(jī)、計(jì)算軟件等組成，用于采集、儲(chǔ)存和分析實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的腦部神經(jīng)元活動(dòng)信號(hào)。其中，芯片是最為核心的部件。

“無線”是這款芯片區(qū)別于市面同類產(chǎn)品的最大優(yōu)勢(shì)。直到現(xiàn)在，用于腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)的腦機(jī)接口系統(tǒng)大都需要在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物上安裝記錄裝置，而裝置又需通過電纜與外部記錄系統(tǒng)相連。這種連接方式一方面限制了生物體的活動(dòng)范圍，另一方面，線的糾纏與旋轉(zhuǎn)容易產(chǎn)生作用力，導(dǎo)致生物體腦部損傷。無線腦機(jī)接口芯片成功擺脫了線的束縛，允許生物體自由活動(dòng)，更接近自然狀態(tài)。無線充電能夠以類似公交卡讀卡器的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電。團(tuán)隊(duì)首先在無線數(shù)據(jù)和無線能量同時(shí)傳輸核心技術(shù)取得原創(chuàng)突破，研究結(jié)果在被業(yè)界譽(yù)為“芯片奧林匹克”的頂會(huì)國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議上2018、2019連續(xù)兩年發(fā)表。

“低功耗+長(zhǎng)續(xù)航”是該芯片的另一大特點(diǎn)。許多無線技術(shù)芯片功耗較大，使得電池連續(xù)使用時(shí)間很短，有的芯片使用一枚40毫安時(shí)的紐扣電池僅能連續(xù)工作一兩個(gè)小時(shí)，中途頻繁更換電池會(huì)打斷監(jiān)測(cè)過程，干擾生物體自然狀態(tài)。而這款芯片能夠?qū)崿F(xiàn)24小時(shí)連續(xù)工作，對(duì)生物體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。這是由于團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)優(yōu)化了芯片的電路設(shè)計(jì)，降低了其功耗。研發(fā)團(tuán)隊(duì)也放棄現(xiàn)有的一些功耗較大的無線傳輸協(xié)議，自己定義新的通訊協(xié)議，并通過降低電壓將功耗優(yōu)化至2.3mW，同時(shí)優(yōu)化信號(hào)處理，解決了信號(hào)記錄穩(wěn)定性和抗干擾等問題。

“輕量化”是一大突破。實(shí)驗(yàn)裝置太重會(huì)對(duì)小鼠活動(dòng)產(chǎn)生較大負(fù)重，影響其活動(dòng)。為此，團(tuán)隊(duì)把大部分功能都集成在芯片上，降低了對(duì)外部器件的要求，使整顆芯片面積小于16平方毫米，模組體積小于3立方厘米，總重量不超過3克。這種集成也在一定程度上降低了芯片制造的材料成本。

這支團(tuán)隊(duì)如何完成這一重大原創(chuàng)科研成果?

這一重大原創(chuàng)科研成果背后，是一支“少而精”的本土團(tuán)隊(duì)。項(xiàng)目中難度最大的芯片設(shè)計(jì)人員共7人，包括封裝、生物信號(hào)采集、生物醫(yī)學(xué)等在內(nèi)，團(tuán)隊(duì)也僅20余人。

項(xiàng)目伊始，團(tuán)隊(duì)立足于前沿性原創(chuàng)探索研究，也與成熟商業(yè)產(chǎn)品對(duì)標(biāo)，旨在發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文的同時(shí)，真正產(chǎn)出高質(zhì)量的無線腦機(jī)接口芯片。為支撐這樣的重大研發(fā)項(xiàng)目，類腦芯片與片上智能系統(tǒng)研究院還組建了來自頂尖企業(yè)、具有豐富實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的工程團(tuán)隊(duì)。

看似“酷炫”的芯片研發(fā)，實(shí)際上包含許多重復(fù)而枯燥的工作，需要高度的細(xì)心與耐心，任何一個(gè)微小的錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，因此，每次定型流片都是對(duì)團(tuán)隊(duì)的巨大考驗(yàn)。流片前的一個(gè)月，研發(fā)人員往往需要反復(fù)驗(yàn)證，解決所有系統(tǒng)漏洞，甚至住在實(shí)驗(yàn)室，忙得不知白天黑夜。“大家憑著一股干勁努力去做好事情。”芯片團(tuán)隊(duì)核心成員葉大蔚表示。

比如今年初的這次流片，時(shí)值春節(jié)，兼有疫情影響，芯片代工廠臨時(shí)要求提前3周交付設(shè)計(jì)文件。呂良劍和葉大蔚帶領(lǐng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，兩三個(gè)星期，這支團(tuán)隊(duì)幾乎都沒怎么睡覺，流片前，團(tuán)隊(duì)做了反復(fù)檢驗(yàn)，力保流片成功。“雖然流片工作非常辛苦，但獲得滿滿成就感。”一年級(jí)博士生李思柔說道，“研究生第一年就參與到流片工作中，在老師和學(xué)長(zhǎng)的指導(dǎo)下，獨(dú)立負(fù)責(zé)芯片中的一部分。在課程任務(wù)之外還能參加這么前沿的項(xiàng)目研發(fā)，對(duì)我來說是個(gè)難得的機(jī)會(huì)。“

參與芯片版圖工作的復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院博士研究生徐榮金說：“在流片時(shí)間節(jié)點(diǎn)臨近時(shí)，成員們都會(huì)互相幫忙，共同戰(zhàn)斗到最后一刻，盡管有人已完成分內(nèi)工作。正是依靠細(xì)致的驗(yàn)證工作和高效的團(tuán)隊(duì)合作，我們每次流片效果都較理想。”

盡管芯片已經(jīng)歷經(jīng)數(shù)次迭代，相關(guān)論文數(shù)次斬獲國(guó)際權(quán)威獎(jiǎng)項(xiàng)，但呂良劍表示，芯片的優(yōu)化工作仍將繼續(xù)，團(tuán)隊(duì)也會(huì)繼續(xù)開展腦科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究。“復(fù)旦大學(xué)新設(shè)的類腦芯片與片上智能研究院從一開始就側(cè)重交叉學(xué)科研究，希望通過跨學(xué)科的碰撞，去做一些突破性、革命性、對(duì)于人類有價(jià)值的事。”呂良劍坦言。

未來應(yīng)用：預(yù)測(cè)癲癇發(fā)作、盲人“重獲”光明、不動(dòng)手就能打電話……

近年來，腦機(jī)接口芯片是集成電路領(lǐng)域的國(guó)際研究熱點(diǎn)。事實(shí)上，腦機(jī)接口領(lǐng)域研究的相關(guān)應(yīng)用，已在慢慢走近人們的生活，特別是醫(yī)療領(lǐng)域。例如，基于類腦芯片可實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元識(shí)別與腦功能圖譜描繪，還可進(jìn)行腦血管病智能篩查等醫(yī)療工作。

據(jù)悉，2016年至今，復(fù)旦自研的這款芯片已流片4次。以它為核心部件的無線腦機(jī)接口系統(tǒng)正在接受上海腦科學(xué)家的測(cè)試，有望在不久的將來投入商用，成為我國(guó)腦科學(xué)與類腦研究的利器。復(fù)旦類腦芯片與片上智能系統(tǒng)研究院助理研究員徐玲介紹，未來，復(fù)旦自研的這款芯片，應(yīng)用場(chǎng)景將集中在3個(gè)領(lǐng)域：認(rèn)知障礙疾病的治療、運(yùn)動(dòng)康復(fù)，以及硬件設(shè)備控制。

目前，研究院正與復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院合作開展靈長(zhǎng)類動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，將電極植入猴子腦內(nèi)，無線采集多通道的腦電信號(hào)供腦科學(xué)家研究，旨在了解癲癇病的發(fā)作機(jī)理，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)預(yù)判和相關(guān)治療。此外，抑郁癥、狂躁癥、帕金森病、阿爾茨海默病等精神類疾病，也有望通過相關(guān)研究得到輔助治療。

視覺感知和運(yùn)動(dòng)感知研究方向，目前是腦機(jī)信號(hào)研究中的熱點(diǎn)。將芯片植入盲人視網(wǎng)膜下，使得盲人“重獲光明”;通過想象“揮手”的感覺，癱瘓病人可將腦內(nèi)信號(hào)通過芯片傳送給電腦，從而操縱機(jī)械臂進(jìn)行活動(dòng)，等等。

而被人們接受度更高的非植入式芯片，則可應(yīng)用在更多人的日常生活中。近年可以預(yù)見的一個(gè)應(yīng)用是腦機(jī)芯片與智能硬件的結(jié)合，例如，通過非植入芯片將腦電信號(hào)傳遞到手機(jī)等智能設(shè)備上，完成“確認(rèn)”“返回”“撥打電話”等簡(jiǎn)單的命令。這意味著，今后可能只需在腦中想象某個(gè)功能，無需動(dòng)手操作即可實(shí)現(xiàn)。

而所謂科幻電影中的機(jī)器“讀心術(shù)”，即依賴腦電波的解碼就能將腦電波與文字語(yǔ)言對(duì)應(yīng)起來，需大量的采集和訓(xùn)練。“我們的研究路徑正在向這一方向努力。”青年研究員鄒喬莎表示，“在復(fù)旦大學(xué)，我們能同時(shí)和腦科學(xué)家、臨床醫(yī)生進(jìn)行合作，有豐富的一線數(shù)據(jù)。這樣優(yōu)越的研究環(huán)境，在國(guó)外頂尖的實(shí)驗(yàn)室也很難擁有。”(作者：吳若凝 殷夢(mèng)昊)