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人类细胞大小的“微液滴”、以声波能量为镊....天大“黑科技”,让我们脑洞大开!

天津大学 2019-04-14

一颗芝麻粒大的谐振器能把液体缩小到“一滴水的十亿分之一”;一把“声波镊子”能精准操控细胞和微纳米颗粒;一种新技术能够“吸引”分子聚集,提升癌症抗原浓度十万倍……你可知道,这些神奇的技术都是借助超声波实现?
你见过能够识别神经系统活动、
读取“意念”的机器吗?
今天,小天带你来看看天大黑科技一起走进科技世界吧!


“高频超声波”领跑尖端生物科技


“高效率低成本”制造微液滴


生物芯片被预言为“21世纪产值最大的高技术产业”,其原理是在一块极小材料上放置生物样品,由计算机分析数据结果。


生物芯片可对基因、配体、抗原等活性物质快速测试分析,将为生命科学、个性化医疗、化学、军事等领域带来重大影响,拥有巨大商业潜力。


制造生物芯片,需要将蛋白质或DNA等活性物质形成“微液滴”放置在极小的区域上。液滴在生活中随处可见,而制造生物芯片所要求的“微液滴”尺寸极小,甚至与人类细胞相当。



传统的微液滴制造方法成本高、生物兼容性差,如何快速高效地制造“微液滴”,是全球科学家长期以来攻坚的难点。


天津大学微机电系统团队在提出“高频超声波制备微液滴”技术,利用高频超声波作用于液体表面,从而形成稳定的“液体尖峰”。当“液体尖峰”的顶部接触到平面基底的表面时,微量的液体就会被吸附到基底表面,形成微液滴。


相较于传统的微液滴制造方法,这种新技术不需要针尖或喷嘴等结构,不仅降低了成本,还避免了针尖易磨损、喷嘴易堵塞等问题。相关研究成果已作为封面文章发表于工程技术领域顶级期刊《芯片实验室》。


“声流体镊”突破“微纳操控”极限


“声镊”顾名思义,是一种“以声波能量为镊”的操作系统,可以对单个细胞或微小颗粒进行操控。由于其多能性、低能耗、小型化等优势,声镊正成为手术医疗、细胞研究生物制药等领域的“利器”。


目前,如何精准控制微纳米尺度的物体成为了声镊亟待突破的技术“瓶颈”。


天津大学微机电系统团队将高频超声波器件与微流控芯片结合,掌握了全新的粒子操纵技术——“声流体镊”。



与传统声镊相比,“声流体镊”体积更小,操控更为精细、精准,不仅可以操控细胞,甚至能够分选、移动、精确控制姿态、甚至裂解细胞,为生物医学研究、疾病早期诊断等领域提供了更有效、更准确、生物兼容性更好的工具。


相关研究成果已作为封面文章发表于工程领域世界一流期刊《粒子及粒子系统表征》。


“精准操纵、聚集捕获”,

癌症检测迎来“革命性突破”


现代临床医学发展对分子检测技术提出了越来越高的要求。以癌症早期检测为例,该检测主要以癌症抗原为诊断对象,癌症抗原是能引起免疫反应的大分子,而诸如前列腺癌等多种癌症的抗原分子浓度极低,用传统方法很难检测到,成为了人类战胜癌症的“新难题”。


天津大学微机电系统团队利用高频超声波微纳机电谐振器,在液体中产生“三维声流场”和“虚拟微口袋效应”,可以在生理条件下高效地捕获和聚集生物分子,将分子局部浓度提高十万倍,实现了在极低浓度下的高灵敏检测。



该技术不依赖于生物分子的物理、化学属性以及环境因素等,具有良好的生物兼容性,易于与现有的生物传感器集成使用,为基础研究、疾病诊断、药物开发等领域的低浓度检测和生物分子相互作用提供全新的分析手段和思路,有望成为癌症早期检测等领域的“革命性突破”。


相关研究成果已作为封面文章发表于化学领域世界顶级期刊《美国化学学会中心科学》,关于声流体操纵的理论研究发表在物理领域世界顶级期刊《物理应用综述》。



脑机接口技术

脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)技术,简而言之,就是机器通过对神经系统活动的识别,读取人的“意念”,以完成人类大脑内发出的相应指令。脑机接口技术在改善脑瘫患者、渐冻人等残疾人的生活质量中做出了巨大贡献,为神智清醒,思维健全,却口不能言、手不能动的人们,打开了一扇通往外部的大门。


极微弱事件相关电位

脑-机接口系统


该系统实现了对迄今最微弱脑电控制信号(幅值约为0.5μV)的准确识别与高效应用,也开辟了BCI系统编解码技术发展的新路径



高效 P300-SSVEP混合范式

脑-机接口系统


该系统国际上首次实现了编码指令达到百量级(108个指令),实现了全键盘打字,目前是世界上拥有最大指令集的高速BCI系统。



基于AR的脑控机械臂系统


该系统将增强现实(Augmented Reality,AR)与BCI技术结合,摆脱了传统BCI系统需要显示器界面操作的束缚,将视觉刺激集成至AR眼镜上,实现了通过“意念”对机械臂的操控。



空间站在轨脑-机交互系统


该系统攻克了太空飞行过程中在轨资源有限对试验平台重量、体积、功耗的约束,通过了百余人次的地基实验和23项航天测试。


2016年10月21日,航天员景海鹏和陈冬在“天宫二号”空间实验室采用该系统完成人类首次太空脑-机交互实验,全面了解并验证了脑-机交互技术在复杂空间环境中的适用性。


该系统的建立和成功测试将为我国载人航天工程的新一代医学与人因保障系统提供关键技术支撑。






穷学理,薄雕虫”,曾经看似奇幻的科学技术,如今在科学家的手里成为一个个现实。小天相信,在不久的将来,下一个“匪夷所思”的黑科技有可能就出自你手哦!




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文字来源 / 焦德芳

内容来源 / 天津大学微机电系统团队 

天津大学神经工程团队

底图制作 / 沈天祎 李亚赫 丁若萌

责任编辑 / 闫明凯 严一苇


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