當生命科學與半導體技術(shù)的融合,給信息存儲帶來了新思路。
2020年,由中科院上海微系統(tǒng)所陶虎團隊開發(fā)出國際首塊基于天然生物蛋白的硬盤存儲器,可以實現(xiàn)數(shù)字信息和生物信息的同步存儲,2022年初,陶虎再次創(chuàng)新開發(fā)出基于蠶絲蛋白的多層級可植入瞬態(tài)存儲器,是柔性電子與可植入器件中的重要組成部分和信息存儲媒介,器件在實現(xiàn)可控降解的同時,還具備穩(wěn)定的存儲和加密功能。
蠶絲,居然可以做成“硬盤”來存儲信息?陶虎表示,選擇生物兼容性良好、易于摻雜功能化、降解速率可控的天然蠶絲蛋白作為信息存儲介質(zhì),近場紅外納米光刻技術(shù)作為數(shù)字信息寫入方式。這項蠶絲存儲技術(shù)目前已實現(xiàn)了圖像和音頻文件準確記錄、存儲和讀取的原理驗證。
談及與普通硬盤的區(qū)別,陶虎說,“蠶絲硬盤直接用非磁性蠶絲蛋白材料作為存儲介質(zhì),不會受到強磁場、強輻射、微波輻照等干擾,”他表示蠶絲蛋白從某種程度上來說是一種厭水性材料,在一定納米尺度下會形成防水、防氣的致密結(jié)構(gòu),保護包覆在其中的蛋白質(zhì)、DNA 等易于損壞的活性有機分子,使其不受破壞。
蠶絲硬盤作為一種高容量、高可靠性的新型存儲技術(shù),不僅可以像普通硬盤那樣存儲數(shù)字信息,還可為活性生物信息存儲提供一個功能巨大的平臺,用于采集存儲生物信息,例如同時存儲人體 DNA 和血液樣本。
由于制作蠶絲硬盤的蠶絲蛋白介質(zhì)極易摻雜各種生物分子并能長期保存它們的生物活性,陶虎透露,“我們可以預先把 DNA 和血液樣本摻入蠶絲蛋白溶液中制成蠶絲硬盤,這樣就將生物信息儲存進去了”。同時,還可以按照預設(shè)的時序可控銷毀,從而用于信息保密。由于蠶絲蛋白易摻雜各種功能分子進行功能化,因而可以增加信息存儲的維度。
暢想未來,有一天人類要移民到外太空,到時候只需要攜帶如此一張儲存了人們數(shù)字信息和生物信息的蠶絲硬盤到外太空,數(shù)字信息可以記錄姓名、年齡、愛好等基本信息,DNA 攜帶有全套的基因信息。
據(jù)悉,研究團隊對蠶絲硬盤的壽命和數(shù)據(jù)的安全性進行了為期1.5年的實時穩(wěn)定性研究和等效 6 年的加速老化實驗研究(120°C,52 h),尚未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題,因此其使用壽命究竟多長目前還不得而知。相信隨著該技術(shù)的不斷完善,蠶絲硬盤有望成為下一代高容量、高可靠的信息存儲技術(shù),與現(xiàn)有技術(shù)形成良好的互補。
除了可以制作存儲器外,蠶絲在傳感器和醫(yī)療器械方面也有十分廣闊的用途。陶虎描述道,由于蠶絲蛋白是一種機械性能佳、介電損耗小的材料,并且還能兼容大部分微納加工工藝,這些性質(zhì)十分符合柔性電子器件對基底和介質(zhì)材料的要求,因此我們成功將其應(yīng)用到人體可集成的柔性傳感器中,包括能量采集器、力學傳感器、仿生視覺、腦機接口等等。
作為我國腦機接口、人工智能和微納傳感領(lǐng)域的權(quán)威專家,陶虎在2021年底攜手中科大同學彭雷共同創(chuàng)立腦機接口公司腦虎科技,身兼首席科學家的他主張采用半自動微創(chuàng)植入柔性電極的手段,并采用蠶絲蛋白把電極柔軟的表面固化,方便植入。當植入完成后,蠶絲蛋白便會溶解,逐漸恢復之前的柔軟,不僅如此,與大腦組織的排異反應(yīng)也較小,安全程度明顯超過Neuralink。
可見,當現(xiàn)代科技遇到傳統(tǒng)蠶絲,智能生物材料為信息存儲與健康醫(yī)療帶來新的契機。
