织物柔软定仪

美国休斯敦大学研究人员近日开发出一种新型光学镜头，能直接贴在智能手机上，将图像放大120倍，分辨率达到1微米，而成本只需3美分。相关论文发表在《生物医学光学》杂志上。 　　休斯敦大学电气与计算机工程副教授石为川(音译)说，这种镜头能像显微镜一样工作，成本低，使用方便，因此非常适合用在中小学生教室里。它还可用在临床上，让那些小型偏远的诊所也能与其他地方的专家共享图像。 　　据每日科学网报道，这种镜头用聚二甲硅氧烷(PDMS)制成。PDMS是一种浓度像蜂蜜的材料，能精确附着在一个预热表面逐渐凝固。论文第一作者、博士生宋宇龙(音译)说，镜头的曲率，也就是放大率取决于PDMS的加热时间和加热温度。最后形成的镜头柔韧灵活，就像柔软的隐形眼镜，但它们更厚，也略小一些。这种镜头可以简单地贴到智能手机的摄像头上，即可把摄像头变成显微镜，光学放大120倍后，图像分辨率能达到1微米。而且，由于PDMS和玻璃并不会永久性地粘在一起，用过后镜头还可以很容易地取下来。 　　传统镜头是通过机械抛光或注射成型制成的，材料一般是玻璃或塑料。虽然也有液体镜头，但不能凝固，要装在特殊容器里保持稳定。宋宇龙说，其他液体镜头需要附加设备才能贴在智能手机上，这种镜头能直接贴上去而不会掉下来，还能重复使用。对于研究来说，要拍摄人类皮肤毛囊组织的幻灯片，就可以用智能手机-PDMS系统或奥林巴斯IX-70显微镜。在放大120倍时，智能手机镜头比得上奥林巴斯100倍显微镜，有软件支持的数字放大还能进一步提高。 　　研究人员估计，造一个这种镜头总成本可能是3美分。相比之下，传统科研用显微镜则要花上万美元。因而，这种镜头很适宜中小学生使用，是他们进行田间或室内研究的一种廉价、便利的手段。他们只需把镜头贴在智能手机上，就能通过电子邮件或文档很容易地共享照片，而且由于这种镜头非常便宜，丢了或坏了也不是大事。

研究人员开发了一种不含金属的果冻状材料，它像生物组织一样柔软而坚韧，同时可以像传统金属一样导电。图片来源：美国麻省理工学院据最新一期《自然材料》杂志报道，美国麻省理工学院领导的国际团队开发出一种不含金属的、类似果冻的材料，它像生物组织一样柔软和坚韧，同时可像传统金属一样导电。这种材料可制成打印墨水，有朝一日或成为功能性凝胶基电极，且具有生物组织的外观和手感。研究人员表示，胶状电极有可能取代金属来刺激神经，并与心脏、大脑和身体其他器官连接。研究人员希望导电聚合物和水凝胶的结合将产生一种灵活的、生物相容的和导电的凝胶。但到目前为止制造的材料要么太脆弱，要么电气性能很差。为了分别保持导电聚合物和水凝胶的电气和机械强度，这两种成分应该以一种略有排斥的方式混合，这种状态被称为相分离。在这种略微分离的状态下，每种成分都可将各自的聚合物连接起来，形成细长的微观链，同时也可以作为一个整体混合。研究人员将其称为具有电气和机械性能的“意大利面”。其中“电气意大利面”是一种导电聚合物，可通过材料传递电流；而“机械意大利面”就是水凝胶，可传递机械力，而且由于它也是连续的，所以很坚韧有弹性。研究人员调整了配方，将“意大利面”煮成墨水，通过3D打印机输入，并打印到纯水凝胶薄膜上，图案类似于传统的金属电极。研究人员将打印的果冻状电极植入大鼠的心脏、坐骨神经和脊髓。在动物身上测试了长达两个月后这些设备始终保持稳定，几乎没有导致周围组织产生炎症或疤痕。电极还能够将来自心脏的电脉冲传递给外部监测器，并将微小脉冲传递到坐骨神经和脊髓，进而刺激相关肌肉和四肢的运动。研究人员设想，未来这种新材料能应用于心脏手术患者的恢复，可用作器官和长期植入物（包括起搏器和深部脑刺激器）之间的软电子接口。

近日，《科学》期刊发表了一项有关新型柔性电极应用于神经外科领域的研究进展。该研究团队创新采用分子设计新策略，研制出一种由仅有2微米大小的电极点组成的新型柔性电极，在手术中放到大脑上，可以帮助医生精确地“看”到大脑的神经核团、功能区，可以最大限度保护患者的大脑功能、减少致残致死情况。业内专家表示，这是目前世界上精度最高的柔性可拉伸微阵列电极。未来，该技术可以作为脑机接口中的核心技术，帮助瘫痪患者康复，并有望在未来的脑科学研究与临床转化中发挥重要作用。中国科学院外籍院士、美国斯坦福大学工程学院化工系主任鲍哲南，天津大学副教授王以轩为论文共同通讯作者，美国斯坦福大学博士后蒋圆闻、张智涛，王以轩和北京天坛医院神经外科副教授李德岭作为论文共同第一作者。其中，北京天坛医院副院长贾旺团队在提出生物医学问题、开展动物实验、调试电极参数、分析数据和撰写论文等步骤发挥重要作用。更清楚地看清大脑大脑是中枢神经系统的最高司令部，也是自然界最复杂的事物。“人的大脑中存在皮层功能区、神经核团等，是发放神经信号以控制人体各种行为的‘中枢司令部’，大脑中的多种神经传导束作为连接不同结构的‘桥梁’，传递各种信息。”北京天坛医院副院长贾旺对《中国科学报》说。贾旺介绍研究成果。（北京天坛医院供图）现代神经外科对于“精准”的要求极高，医生在手术中需要更及时、更精准地“看到”这些结构，以最大限度地保护患者的脑功能，减少致残甚至致死的几率。但在临床实践中，目前的技术体系无法完全满足需求，疾病累计功能密集区域的患者，在开颅手术后致残甚至致死的几率仍比较高。针对临床需求，研究团队提出 “可以紧密贴合在大脑不规则区域的柔性微阵列电极”的解决方案，并用分子设计新策略，研发出能在拉伸数倍情况下仍能保持导电性能的新型导电高分子材料。科研人员在展示柔性电极。（北京天坛医院供图）“这种电极在加工到2微米尺度下仍能保持可拉伸性和高导电性的特征，实现了可拉伸有机电子器件领域的重大突破。”蒋圆闻告诉《中国科学报》。同时，这种电极极为柔软而且可拉伸，可以放在脑干或神经外科术腔等多种不规则且容易损伤的场景，手术器械牵拉扭转等操作都不会损伤；基于高导电性和高密度的特征，应用该电极能精准定位到单个细胞的精度，以“热图”的形式直接“看到”大脑的神经核团，得以保护这些重要的大脑结构。从章鱼获得灵感“这是我很喜欢的一项研究，因为它很好地诠释了化学之美，并且展示了通过材料创新，我们可以开辟新的应用场景，尤其是在神经工程等新兴领域上。”鲍哲南对《中国科学报》表示。在早期的研究工作中，为了突破现有导电材料无法综合兼顾力学和电学性能的瓶颈，研究团队经历了一次次失败后，最终设计出更为合理有效的结构——在导电高分子材料中引入了拓扑交联网络，并实现了创纪录的高拉伸性、高导电性和高分辨光图案化的性能优势。“在寻找生物应用过程中，我们早期比较专注于在人体皮肤测试表面肌电。虽然结果还不错，但并不能完全突出我们器件的全部优势。”蒋圆闻说。“从人体到软体，可以考虑在其他更需要柔性设备的方向上进行尝试。”这是鲍哲南给蒋圆闻的建议。连接在章鱼臂上的可伸缩电极阵列（蒋圆闻供图）随后，蒋圆闻在软体动物上进行了测试，并发现不仅可以直接突出柔性可拉伸器件的优势，整个应用还更具有说服力。在实验中，蒋圆闻选择了具有代表性的软体动物——章鱼，并首次记录了章鱼触腕运动过程中的精细肌肉信号。利用获得的高质量电生理信号，研究人员可以对软体动物独特的分布式智能系统进行更深一步的解码研究，有望研制出更加智能的人造软体机器人。期望最终惠及患者这条章鱼给蒋圆闻带来了全新的思路和实验结果，就像蒋圆闻所说：“最终的结果都是一开始无法预测的。”在随后的实验中，研究团队实现了一系列过去难以实现的生物医疗应用，特别是针对柔软且精细的组织，包括以高分辨率稳定记录软体动物的肌肉信号，以及通过脑干实现单核团级别精准神经调控。研究团队选用大鼠来模拟脑外科手术，首次将该材料制备的神经电极运用在脑干等不规则并且高度易损伤的区域，并通过电极阵列精准定位到单个神经元的精度，以热图的形式快速且准确地勾勒脑干神经核团。“我们团队花了很长时间才开发出这种材料，该材料让未来的可拉伸电子产品的出现成为可能，其中透明的可拉伸导体是关键部件。”鲍哲南表示，“为了改进这种材料，我们还有很多工作要做。”谈到如何应用这种新技术，贾旺表示，北京天坛医院神经外科将依托国家神经疾病医学中心、国家神经系统疾病临床医学研究中心等平台，继续深入开展颅底手术中容易损伤重要神经的功能监测新技术和肢体瘫痪病人智能修复新策略等研究，从神经外科的角度助力脑科学发展，最终惠及患者。