蚕丝硬盘：数字信息和生物信息的同步存储︱大家

陶虎

中科院上海微系统与信息技术研究所研究员

2020 X-Lab前沿实验室主任

从结绳记事到竹简纸张，从计算机存储到光盘刻录，人类从未停止追求更加高效便捷的信息存储方式，信息存储方式的变革很大程度上也塑造着我们获取信息和认知世界的方式。原始社会，人们用结绳记事的方式来记录信息；东汉时期，纸张开始被用以记录和储存信息；到了18世纪 20年代，录音磁带被发明，实现了模拟信号的存储，标示着磁性存储时代的开始；1956年世界第一个硬盘驱动器出现，也就是现在说的机械硬盘，其存储方式是磁头靠着磁盘旋转来读写数据。而生物技术（BT）与信息技术（IT）的交叉融合，给信息存储带来了新思路，各种基于生物介质的存储技术应运而生，利用分子结构进行编码的各类生物存储技术相继出现，如高容量DNA存储技术。2020年，可以同时存储数字信息和生物信息的新一代蚕丝蛋白存储技术惊艳问世。

蚕丝，居然可以做成“硬盘”来存储信息？

随着科技的发展与文明的进步，人类的活动越来越依赖于信息，因此产生的信息量正在呈指数级增长，信息的种类也变得纷繁多杂，并且信息存储的条件也越来越苛刻，当前的半导体存储技术越来越难满足日益增长的信息存储需求。

而生命科学与半导体技术的融合，给信息存储带来了新思路，我们选择生物兼容性良好、易于掺杂功能化、降解速率可控的天然蚕丝蛋白作为信息存储介质，近场红外纳米光刻技术作为数字信息写入方式，首次开发出了蚕丝存储技术。到目前为止，团队已用这种技术实现了图像和音频文件准确记录、存储和读取的原理验证。

蚕丝硬盘和普通硬盘有哪些不同？

一般的硬盘存储器，例如机械硬盘，其存储方式是磁头靠着磁盘旋转来读写数据，写入数据时，距离盘面几纳米的磁头会利用电磁铁，改变磁盘上磁性材料的极性来记录数据，两种极性分别对应“0”或“1”。由于用到了磁性材料，因此它在强磁场、强辐射、微波辐照等环境中容易损坏，造成数据丢失。
得益于蚕丝蛋白可以兼容微纳加工工艺以及易于掺杂功能化等特性，结合高精度近场快速读写手段，我们实现了基于蚕丝蛋白的高容量数字/生物存储技术（也就是所谓的“蚕丝硬盘”）。通过纳米针尖将特定波长（对应蚕丝蛋白最佳吸收率）红外光聚焦在纳米尺度下，对蚕丝蛋白进行局部微观操纵，蚕丝蛋白被针尖作用的微区吸收红外能量后转变成具有一定流动性的玻璃相，在纳米探针的牵引下形成凸起的纳米柱，对应数字化“1”，未凸起的部分则对应数字化“0”，从而达到数字信息的写入。用同一套系统对蚕丝蛋白表面进行成像则可实现数字信息的读取。因此与普通硬盘不同，蚕丝硬盘直接用非磁性蚕丝蛋白材料作为存储介质，不会受到强磁场、强辐射、微波辐照等干扰。此外，蚕丝蛋白从某种程度上来说是一种厌水性材料，在一定纳米尺度下会形成防水、防气的致密结构，保护包覆在其中的蛋白质、DNA等易于损坏的活性有机分子，使其不受破坏，因此蚕丝硬盘也可以存储人体DNA和血液样本，实现生物信息存储。
蚕丝硬盘是如何保存生物信息的？蚕丝硬盘作为一种高容量、高可靠性的新型存储技术，不仅可以像普通硬盘那样存储数字信息，还可为活性生物信息存储提供一个功能巨大的平台，用于采集存储生物信息，例如同时存储人体DNA和血液样本。
蚕丝硬盘还能按照预设的时序可控销毁，从而用于信息保密。
此外，由于蚕丝蛋白易掺杂各种功能分子进行功能化，因而可以增加信息存储的维度。制作蚕丝硬盘的蚕丝蛋白介质极易掺杂各种生物分子并能长期保存它们的生物活性，所以我们可以预先把DNA和血液样本掺入蚕丝蛋白溶液中制成蚕丝硬盘，这样就将生物信息储存进去了。
畅想几百甚至几千年后，人类要移民到外太空，到时候只需要携带这么一张储存了人们数字信息和生物信息的蚕丝硬盘到外太空，数字信息可以记录姓名、年龄、爱好等基本信息，DNA携带有全套的基因信息，这样，通过这么一张小小的蚕丝硬盘就可以到外太空把人复制出来。蚕丝硬盘的寿命和数据的安全性目前我们对蚕丝硬盘进行了为期1.5年的实时稳定性研究和等效6年的加速老化实验研究（120℃，52h），暂时尚未发现蚕丝硬盘出现数据丢失问题，因此其使用寿命究竟多长我们目前还不得而知。
蚕丝硬盘作为一种非磁性的厌水性材料，本身就能耐受各种恶劣环境，包括高湿度（90RH%）、高磁场（7T）或强辐射（25kGy）等，因此在数据存储安全和可靠性方面我们同样不用过多担心。
此外，蚕丝硬盘还能在预设的时间内在体内或环境中可控销毁。为了提高存储器的性能，我们一般都是要选择特定的蚕种（譬如实验中我们选择的是机械性能佳、易于成膜的品种），而为了保证蚕丝器件性能的一致性，我们还会固定蚕种。
未来我们可以通过减少用于信息写入的纳米针尖尺寸或减小蚕丝蛋白分子链长来提高蚕丝硬盘的存储容量，进一步结合多探针平行加工技术和快速移动平台提高蚕丝硬盘的读写速率。
相信随着该技术的不断完善，蚕丝硬盘有望成为下一代高容量、高可靠的信息存储技术，与现有技术形成良好的互补。

蚕丝蛋白存储器活体植入与信息可控销毁

蚕丝的未来蚕丝除了可以制作存储器外，在传感器和医疗器械方面也有十分广阔的用途。
我们在前期研究中，发现蚕丝蛋白是一种机械性能佳、介电损耗小的材料，并且还能兼容大部分微纳加工工艺，这些性质十分符合柔性电子器件对基底和介质材料的要求，因此我们成功将其应用到人体可集成的柔性传感器中，包括能量采集器、力学传感器、仿生视觉、脑机接口等等。
蚕丝蛋白材料的研究范围非常广，在美容整形、骨科、神经外科等方面都有应用。
中国作为产丝和用丝大国，尤其在江浙一带，具有丰富的桑蚕养殖经验和蚕丝来源，因此，基于天然蚕丝蛋白的医疗器械成本能得到很好的控制，且加工制作过程绿色无污染，符合国家当前推进绿色GDP环保型可持续发展产业的要求。以整形科鼻假体为例，一个蚕丝蛋白鼻假体成本大约200元人民币，而市面上性能与之类似的异体骨鼻假体售价则在2万元左右。从中可以看出，蚕丝蛋白医疗器械的成本仅为临床现有产品售价的1%。
此外，蚕丝蛋白人造皮肤和韧带可以用于整容方面的敷料、补片、垫片；蚕丝蛋白骨钉、骨棒等在骨科具有较好的应用前景；蚕丝蛋白外周神经导管、血管、连接片可以用在神经外科领域。
蚕丝材料在我国具有数千年的应用历史，将蚕丝这一古老却又十分经典的材料应用在新时期的重要领域，走出一条高科技、高附加值的“新丝绸之路”，一直是我们广大从业人员的动力和责任。当现代科技遇到传统蚕丝，智能生物材料为信息存储与健康医疗带来新的契机。
蚕丝与中国古代四大发明——造纸术、指南针、火药和印刷术——一样，都产生过世界性的影响。如何从劳动密集型产业转型为高科技、高附加值产业，让我们的伟大发明和古老文明重塑价值、再现辉煌，唯有科技创新，方能点“丝”成金。

END

·本文选自《世界科学》杂志2020年第11期“大家•科技前沿”栏目·

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