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干货 | 沈阳自动化研究所研究员刘连庆:传感器产业的下一个方向——类生命传感器

2019-07-17

2018年12月,GBAS大会组委会十分荣幸邀请到沈阳自动化研究所研究员刘连庆参加2018 GBAS 大湾区机器人与人工智能大会。

沈阳自动化研究所研究员刘连庆教授在GBAS 2018大会上为作了《基于生物活体细胞的类生命传感》(Biosyncretic Sensor With Living Cells)的主题演讲。

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演讲中,刘教授用生动的语言阐述了未来传感器的形象。他认为,传感器技术已经经过机电传感、MEMS传感,下一步将会进入“类生命传感”。所谓类生命传感器,就是将生命系统与机电系统融合,模仿大自然的生命形式,创造出更接近于自然的传感器。未来,传感器将会“无处不在”,不仅存在于外界,甚至还能与人体相结合。

2019年GBAS大会正紧锣密鼓筹备中,那不妨在这个紧张又令人兴奋的时刻让我们一同回顾刘连庆教授的精彩演讲:

大家下午好,我今天报告的题目是《基于生物活体细胞的类生命传感》。

每当我们说到传感器,就会说到万物互联。我把传感器进行了分类。其中一个是机电传感器,这种传感器可以说为工业文明发挥了重要的作用。之后随着MEMS的出现,机械原理加上了电子原理,又让每一部手机里面都有了MEMS传感器。我们可以看出,每一次感知原理的变化和每一次材料的变化都让传感器有革命性的提升。

自然界经过亿万年的进化使得生物体特性趋向于完美,即便是一个小小的细菌和一个小小的细胞,它所具备的感知能力,都是我们现在任何人工系统难以实现的。因此所谓取法自然,就是要用自然界的方法来做传感器,比如仿生复眼、仿生龙虾眼。我们所有的仿生系统都是基于机械的原理,所以任何的人工系统都无法充分诠释和复制生命的奥妙。我觉得如果上帝存在的话,他一定会说:一直被模仿,从未被超越。

我们现在的传感器,都是基于机械电子原理和人工系统的传感器。人工系统的特点是,高性能、干燥、固定。你开始是什么样子最后就是什么样子,十年一百年没有变化。但是自然界的传感器有一个天然的柔性,非常柔软。我们的身体上的各种传感器都是柔软的,并且也是湿润的,最重要的是生长的。这给了我们一个新的启迪,能不能用生命过程去做更接近于自然的传感器,这就是我想说的,机电系统和类生命系统的传感。

仿生传感器有两种,一个是外形仿生,一种是功能仿生,比如我做一个听觉的传感器,不一定是耳朵,但是有听觉的功能。我们要做的是把生物系统和机电系统在细胞和分子尺度上融合,实现生物原理的新型传感系统,让我们的传感系统源于自然,高于自然。

这就是生命系统和机电系统的融合,未来所有的电子设备都在你的身体里面。我说一个例子,现在每个人都看手机看微信,但手机比较大,很不方便。但如果直接在脑子里面有一个芯片,想看随时就可以看呢?这个就是未来发展的方向。

这种生命集成会给你带来什么样的好处?我说一个简单的例子,我们都知道红外传感器,利用普朗克原理产生电流,把红外检测出来。但是这种传感器大家用过的话都知道,体积大,越灵敏条件越苛刻。我们再看一些软的,湿润的,可以生长的传感器,比如响尾蛇的红外成像。你把它的眼睛蒙上,它还是可以精准捕获猎物,因为它有一个蛋白可以感知离子通道,而且体积非常小,光谱宽,无需冷却。所以如果我们可以把这种生物学的原理应用到我们的机器人和传感器,那就会产生新一代的有革命性的传感器。

生物学的传感器,我们把它分三个步骤:第一个是细胞赋能。不是所有的细胞都有感知功能,这和半导体参杂类似;第二个是生物信号的测量;第三个是怎么成像。然后用这三个步骤来介绍一下我们现在的研究进展。

第一个是细胞赋能,这个比较有意思,我们和成都生物所和上海药物所做了一个蛇的测试。响尾蛇的头部有一个离子通道,我们用南科大教授的一个技术,通过和遗传学的结合,把一些响尾蛇的蛋白转到细胞里面去,于是这个细胞就有了光的敏感功能。把它转染之后,验证了在光照的情况下会有非常灵敏的光电的响应。进来的是光,产生的是电,和响尾蛇的原理一样。

细胞赋能是第一步,我们验证这个细胞可以进行光检测。第二步是生物信号的测量,我们可以用AFM来测。大家用过膜片的话就知道,这是一个比较复杂的技术,尤其是做电流测量的时候。对于个人操作的技能和整个的环境要求都非常苛刻,这个方法还不可携带,每个人的误差也大,所以我们觉得这个技术也不太好。

后来我们又用了石墨烯,这种异常碳原子有各种各样的好处,它的发明者也获得了诺贝尔奖。我们的想法非常简单,把石墨烯铺在这儿组成一个FET的结构,把这个光敏感的细胞放在这个石墨烯上。这个时候会有两个事情发生,第一个是细胞的电位会移动,第二个是会改变局部的离子浓度,离子的释放会改变结构。当我们有光照在石墨烯上的时候,相当于给石墨烯加了一个Get,会导致电流的改变。随着这个浓度变化可以对敏感度提出调节,离子通道越多浓度就越高,为传感器的发展奠定了很好的基础。通过这个你可以看到细胞作为一个传感器的载体,生命有多灵敏,细胞就有多灵敏。

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最后是融合成像,我们只能做几个细胞,我用一个简单的道理说一下原理,就是用时间换经验。我用一个投影仪从一个光源打出来形成图像,所有的光源都是可逆的,灯泡就是我们的细胞。我用一个可逆的光,再打到我的细胞上,就可以把所有的图像呈现出来,但是这样太慢了,所以我同时做了相关的工作,提高成像的速度。以目前的文献上看,我们应该是第一个运用一个活体的细胞成一副图像的。不过前几天出了一篇文章我们比较关注,是把狗的嗅觉转移到细胞上,让这个细胞拥有嗅觉,所以其实大家的思路都是一样的。

稍微总结一下,我们现在已从机电传感器到MEMS传感器,从金属载体变成硅基载体,从机械原理变到了电子原理。所以我想未来类生命传感器会是“生命原来+碳基原来”,就像老子说的,人法地,地法天。我们的思想源于自然,但是高于自然。

谢谢大家,以上就是我分享的所有内容。