«Он вживил себе микрочип». Такими новостями уже никого не удивишь. Подкожные чипы используют для идентификации, оплаты, доступа к электронным замкам или управления электронными устройствами. Обычно микрочипы имеют форму цилиндра и изготавливаются из боросиликатного стекла или биологически нейтрального стекла Schott 8625 на основе натриевой извести. Зачастую их вживляют между указательным и большим пальцем.
Как правило, микрочип-имплант представляет собой RFID-устройство. Они не имеют источника энергии, поэтому выключены, пока с ними не попытаться связаться. Активируются они от попадания в электромагнитное поле считывателя, после чего передают ему данные, сохраненные в памяти. Помимо связи с электронными устройствами в быту, такие микрочипы можно использовать как медицинские карты пациентов или, если в чип встроена поддержка GPS, для отслеживания животных и людей — например, больных деменцией или преступников.
Живое и неживое
Но чипы — это только видимая часть айсберга под названием «биоэлектроника». Сегодня ученые пытаются связать живые ткани и электронные устройства для самых разных целей. Например, частично или полностью парализованные люди получают шанс на связь с внешним миром благодаря нейроинтерфейсам. Они позволяют мозгу и компьютеру обмениваться информацией, выдавая управляющие команды на различные устройства, будь то компьютерное приложение, смартфон, дрон, робот или бионический протез. Например, если человек представляет текстовые символы, в мозге каждые 300 миллисекунд возникает вызванный потенциал P300 (Positive 300). Таким образом, если зарегистрировать и распознать эту активность, можно набирать текст на компьютере «силой мысли». А в апреле 2021 года компания Neuralink показала миру обезьянку, которая с помощью нейроинтерфейса играла на компьютере в пинг-понг.
Большинство нейроинтерфейсов записывают активность мозга с помощью электроэнцефалографа. Затем сигнал декодируется и выводится на компьютер или внешнее устройство. Такой метод снятия активности безопасен для человека, но сигнал от мозга искажается из-за различных шумов, возникающих по мере его прохождения через слои мозга, череп, кожу и волосы.
Однако существуют и инвазивные методы, когда сотни электродов вживляются в мозг. Это дает большую точность распознавания активности мозга, но есть риск отторжения со стороны мозга и его поражения. Примером такого метода является чип Neuralink от Илона Маска, который уже успешно был испытан на обезьяне, и в скором будущем, возможно, будет испытан на человеке.
Не менее впечатляющий способ снятия активности мозга предлагает американская компания Synchron. Вживление нейроинтерфейса Stentrode не требует операции на головном мозге, он имплантируется в мозг через кровеносные сосуды в основании шеи. Затем сигнал в беспроводном режиме передается на компьютер, что позволяет управлять простейшими устройствами, писать смс, совершать покупки, работать с электронной почтой. Тестирование на людях уже началось и показывает успешные результаты.
Помимо таких нейроинтерфейсов с односторонней связью сегодня существуют устройства передачи сигнала от компьютера мозгу. Люди с нарушениями слуха используют кохлеарные импланты -— микрочип, который связывает микрофон со слуховыми рецепторами. А для восстановления зрения слабовидящие тестируют ретинальные импланты.
В самое сердце
Наибольшее распространение технологии биоэлектроники находят в медицине. Они помогают создавать миниатюрные устройства адресной доставки лекарств, интерактивные системы самоконтроля и самодиагностики, персонализированные лекарства, биоинженерные устройства, искусственные нейроны, технологии мгновенного облегчения боли, биосенсоры, бионические протезы.
Большое внимание привлекают гибкие и растяжимые биосенсоры, которые могут отслеживать и количественно оценивать электрические или химические сигналы, генерируемые конкретными микросредами. Например, анализировать состояние воздуха и улавливать превышение концентрации газов, когда человек их еще не слышит.
Носимые биосенсоры, которые могут быть тесно прикреплены к коже или ткани, предоставляют новые возможности для медицинской диагностики и терапии. В последние годы был достигнут огромный прогресс в интеграции устройств в тело человека, разработке материалов и технологий производства гибких растяжимых систем. Например, уже существуют образцы так называемой электронной кожи, которую можно прилепить к груди человека и измерять его пульс. В перспективе такие кусочки электронной кожи, если разместить их на разных частях тела человека, могут использоваться даже как часы или смартфон.
Такая мягкая электроника должна иметь свойства максимально близкие к биологическим тканям, чтобы избежать раздражения кожи, повреждения тканей, нарушения соотношения сигнал/шум. Материалы для нее должны быть гибкими, эластичными и биосовместимыми, с одной стороны, обладать высокой проводимостью тока в них, с другой. От этого будет зависеть скорость работы микроэлектронной системы. В некоторых случаях, когда устройство требуется носить временно, материал должен быть биоразлагаемым.
Тезис, антитезис, синтез
В качестве материалов сегодня в основном используют электропроводящие полимеры. Внутри обычных полимеров одинаковые группы молекул или атомов выстроены в длинные цепочки макромолекул. По-разному соединяя такие цепочки, можно изменять свойства вещества. Мы встречаем их в быту повсюду — это пластик, резина, полиэтилен. Принято считать, что они являются диэлектриками. Будучи случайно открытыми в семидесятых годах, электропроводящие полимеры принесли большую пользу для развития биоэлектроники, так как оказалось, что органические материалы способны передавать электричество. А в силу своей природной биосовместимости это позволило объединить электронику с живыми системами.
Кроме полимеров в биоэлектронике используются композиты (материал на основе нескольких компонентов с различными химическими и физическими свойствами) из полимеров, оксиды разных металлов, нанотрубки из углерода, графен. Но эксперименты с материалами продолжаются. В 2021 году ученые создали уникальный композит из серебра и гидрогеля, который обладает высокой электропроводностью и способен пропускать постоянный ток. Предполагается, что в будущем его можно будет использовать для изготовления контактных линз, биосенсоров, реакторов для выработки энергии, каркасов мягких тканей и даже мышц.
Последние открытия говорят о том, что граница между природными и рукотворными элементами будет все сильнее стираться. Так, ученые уже создали искусственный нейрон, способный заменить утраченные нервные клетки; научились точечно снимать боль и доставлять лекарства с помощью нанороботов, следить за состоянием пациентов с помощью биосенсоров и даже вырабатывать ток из тела человека. Пока все это только испытывается в лабораторных условиях, но уже скоро вполне может стать частью повседневной жизни.
