芯片能植入人脑吗

十、芯片能植入人脑吗？——摩尔设想

摩尔的预言对半导体产业的发展产生了重要的意义。四十多年来，半导体制造商一直设法以稳定的速度缩小晶体管的体积，使集成电路比原先更小而运算速度更快。然而，天下没有不散的宴席，为了符合“摩尔定律”这个人们津津乐道的传奇，半导体器件始终朝着更快、更小和更便宜的方向前进，但无论从技术还是经济的角度而言都正在带来越来越多的问题。虽然摩尔在四十年前就洞烛先机、率先指明半导体世界发展的路线，但在四十年后的一次访谈中，他明显对记者关于未来硅技术发展方向的提问感到困惑。是的，我们正处在一个全新的半导体时代的开端，在这个逐渐开始多元化的新材料时代里，我们将无法遵循任何过去曾经指导我们思考未来半导体技术的熟悉且可推断的方法。人们已不再满足于开发更低纳米数的晶圆生产工艺，很多研究人员和工程师正在为下一代芯片的生产而评估各种化学元素的组合方案，甚至研究把生物细胞单元与半导体材料结合起来的可行性。

摩尔在谈到半导体晶体管的体积会不会永远小下去，运算的速度会不会增加到极限的时候说，在未来的10年里，芯片的运算速度仍然会以每一年半到两年增加1倍的速度增长。但是摩尔承认，人类已经开始运用原子材料制造一些物品，人类也许即将开始接触极限的概念。

图2-22显示了半导体技术的复杂性呈指数级上升，我们可以看到1980年的半导体工艺仅使用了元素周期表中的几个元素（使用灰色标志），到1990年又增加了几个灰色的元素，到了2000年增加了大量的灰色的元素，几乎使用了元素周期表中的大多数元素。

他说：“目前，我可以看到下几代的微处理技术可以在未来的6年到10年内以同样的速度发展。但是，另一方面，我们开始接触真正的极限，其中有些极限是技术性的。生产超级微型化物体会变得越来越困难重重。我们在光学领域几乎穷尽了潜力，我们需要寻求其他材料来做到微型化。我们目前也接近原子物质的本质的极限。”

图2-22　不同时期半导体技术所使用的材料

摩尔在展望未来一个世纪科学和技术发展前景时说，未来的世纪是生物科技突飞猛进的世纪，人类将能够把电脑芯片技术和生物科技结合起来。他说到：“今天，人们使用同样的技术手段制造一些小电器、微型齿轮和微型马达等等。人们可以用微米技术制造微型化学实验室。人们可以在半导体芯片上建造一个化学反应装置，在芯片内部建造一个结构，通过一个通道加以连接。”

摩尔还说：“将来在进行血液分析的时候，可以把一滴血滴在芯片上，在90秒钟之内，就可以得出各种化验指标。我对生物工程学的成就非常钦佩。在过去几十年里，我们看到了一系列令人难以置信的发展。生物工程学为我们打开各种各样可能性的大门。当然，生物工程的研究对某些人来说具有潜在的危险，但是，对我来说，这是改造世界的一个绝佳的机会。”

虽然看上去生物学离半导体的日常业务相去甚远，但是实际上它已经与集成电路行业建立了深厚的联系，例如基因芯片现已问世，其中有些微流器件简直就是一个个片上实验室（Lab-On-Chip）。欧洲的领先半导体公司正在努力通过以微阵列、微流体芯片以及神经芯片的形式将基础半导体技术应用到医学领域，以创造新的盈利机会。“当医生发现某种原来使用的广谱抗生素不起作用，再估摸着去换另外一种抗生素时，病人可能已经死亡。如果生物芯片能够在30分钟内检测出病原体的DNA，就可以拯救数百万病人的生命。”你听到这个故事的时候是否感觉像幻想？是的，这些幻想家正在讨论如何制造一个混合生物技术、纳米机电系统（NEMS）和硅片的混合物。

这本书读到这儿，恐怕大家对集成电路芯片都不会陌生，虽然了解不一定特别详细，也大概知道那是一块装满微小的晶体管元件的小硅片，它是计算机和其他电子系统的“心脏”。但要说到基因芯片是什么玩意儿时，知道的人恐怕就不多了。那么到底基因芯片是什么呢？

基因芯片又叫DNA芯片，是近一两年发展起来的一种新型分子生物技术。它用的也是一块小片儿，当然不是集成电路片，而是五六平方厘米见方的玻璃片；装在这种片上的也不是电路元件，而是一个个可长可短的DNA分子。这些DNA分子通过一种特殊的方法粘在玻璃上，而它们的DNA序列和所粘贴的位置都作为最重要的信息被贮存在一台计算机里，在一小块基因芯片上一般至少可以粘20万个DNA分子。基因芯片的用途很多，它可以用于监测基因表达的变化、可以用于基因序列的分析、也可以用于寻找新的基因和新药分子。基因芯片的工作原理其实很简单，以监测基因表达变化为例，比如人大约有10万个基因，人们可以把这些基因都粘在一小片玻璃片上制成基因芯片，如果有人对肿瘤细胞的基因表达感兴趣，只需分别把肿瘤细胞和正常细胞中的DNA放在基因芯片上反应，然后通过计算机识别，就可以很快找出肿瘤细胞中的基因表达与正常细胞有何差异，从而找出与肿瘤相关的因素。当然，目前这还只是一个梦想，因为已克隆的人的基因数目仍有限；不过，随着人类基因组计划的迅速进展，这种梦想将会很快变成现实。

半导体器件固然有惊人的能力，能够制成光传感器、压力传感器、温度传感器等等，但是它不能识别有机分子和构造复杂的分子。例如人体中的各种酶能认识某种特定的物质，并能促使产生某一反应，其抗体也有类似的性能，利用物理或化学的仪器测试，便可求出这些分子的浓度，还可以把它变换成电信号再制成各种生物传感器。20年来，生物传感器取得了巨大的进展。现在不仅有酶传感器、抗体传感器，还有微生物传感器；不仅有了代替人嗅觉的各种测定气体浓度的传感器，还有可以代替人味觉的用来测定食品味道和鱼肉新鲜度的传感器。

利用生物分子作为最小单元制造电子元件，便是生物元件。因为它和半导体集成芯片在形态上有些类似，所以称它为生物芯片。

为了实现生物元件，把生物分子的电子变化引导到外部蛋白质那样的大分子，电子只能在特定的部位移动，除此之外，电子移动就很困难了。因此，为了使生物分子的电子移动容易，“生物分子接口”便非常重要了。

要实现生物元件，其关键在于把不同的生物分子按一定的要求进行排列。目前还没有能够自由操作分子技术，已被广泛应用于排列和控制分子的方法称兰米尔-布洛吉特法，简称LB法。它是在水面上展开分子，再通过加大表面压力，形成单分子膜，然后再将其转移到固体表面上。利用LB法可以把不同的分子薄膜按要求重叠起来，并实现不同分子按一定的要求排列，以便发挥其电子学方面的功能。

目前除了用LB法来制造生物元件以外，人们还试验在电报上培养神经细胞。美国首先将神经细胞和集成电路结合在一起。实验表明，是能够用电子学的方法控制神经细胞形态的和生长，使其形成所需要的神经网络的，这就为实现生物计算机开创了光明的前景。

目前对未来计算机的一些研究成果听起来已经像科学幻想小说。包括驾驭DNA、真正大脑细胞的电脑等等，它比今天最快的电脑快许多倍，而可能会装在很小的一滴液体之中。它们不是用硅制成的，而是用DNA制成的，即生命的物质本身建造的。这种电脑几秒钟所能解决的问题，现代电脑则要花费几个月，甚至几年才能破解。电脑的进化一直都有惊人的迅速，但未来可能比今天的发展还要快。

生物利用数据的方式类似于电脑处理信息的方式。这一相似之处是美国数学家伦纳德•阿德尔曼于1994年发现的。由于10万亿缕 DNA能够被石子大小的一滴液体所容纳，而且全都能够同时处理信息，所以它们可能会解决科学上一些最棘手的问题。

阿德尔曼说，DNA虽然是一种生机勃勃的分子，但却并不善于接受处理。在试管之间注入大量溶液将造成DNA缕的性质改变，因此我们决定采取新的做法。我们不是在试管里计算，而是试图重新设计来自大肠杆菌的细胞来执行计算。目前我们距离进行人类试验还有漫长的道路。

DNA计算可能是所有新的计算技术当中最诱人的。然而，在与DNA打交道方面遇到的巨大困难意味着，它可能永远也不会依靠自己的力量形成一种传统电脑。科学家们所能够祈望的也许顶多是一种协同式处理器，能解决比较棘手的问题并向中央处理器汇报。即使到那时，它所执行的任务大概也不会很简单。

然而，研制一种独立的DNA电脑的梦想并没有破灭。2005年1月，日本的奥林巴斯公司宣布，它研制出了一种能够识别与疾病有关的基因的样机。由于人类基因组计划所带来的对基因分析的不断增加的需求，故DNA电脑可能会在全世界的医学实验室中找到一个温馨的家。神经电子学把硅片与生物的大脑组织结合在一起听起来如同科学幻想小说里才会见到的未来。但如今，生活正在模仿艺术，计算技术最奇异的前沿正在实验室里被一再地向前推进。

2004年，马克斯 •普朗克生物化学研究所的彼得 •弗罗姆赫兹教授成功地用一块硅片和从蜗牛大脑中摄取的神经细胞组成了一个电路。这些蜗牛细胞被用小钉固定在硅电路板上，它们生长出了彼此之间的连接，这些连接后来形成了电信号的一条路径。当细胞底部的一个晶体管造成电压的改变时，一个电脉冲就从一个神经细胞传输到另外一个；然后第二个神经细胞刺激其底部的晶体管，从而形成一个完整的电路。这项实验证明，人工设计一个不仅包含电子装置，而且还有有机组织的电路是可能的。该科学领域已经被称为“神经电子学”。

科学家们迄今所实现的仅仅是构筑简单的电路。当然，还没有任何人利用真正的大脑细胞和硅一起执行一项计算任务，就连像把两个数字加起来这样简单的运算也没有。但既然神经细胞能够被以这种方式驾驭，其潜在的用途是巨大的。

芝加哥西北大学的科学家们已经设计出一种由七鳃鳗鱼的大脑控制的机器人。当机器人的传感器察觉到光线时，它们就向鱼的神经细胞发出一个信号。神经细胞根据这一信息采取行动，指示机器人朝着光源移动。这一反应通常帮助这种鱼在海洋中沿着正确的道路游进。研究人员希望有朝一日，类似的技术能够被用来设计较好的假肢。普朗克生物化学研究所教授彼得 •弗罗姆赫兹正在设法生产比较复杂的神经细胞网络，在它们和芯片中的数字电子装置之间形成一个界面。这仅仅是朝着研制比较复杂的装置迈出的第一步。他们正在考察的不仅是利用两个神经细胞，而且还有三个、四个，也许甚至是十个。他们的目标还有用老鼠等哺乳动物的神经细胞来取代蜗牛的神经细胞。

但神经细胞电脑在最近的将来替代奔4电脑的可能性极小。最大的问题之一是，大脑细胞要发挥适当作用，需要特殊的照顾。西北大学机器人中的七鳃鳗鱼大脑虽然是在一个充满氧气的海水容器中保鲜，但即使这样，它也只存活了一天。要想无限期地使大脑细胞存活，所需要的生命保障系统毫无疑问会使一台电脑的造价高昂到无人问津的程度。如果这样一台电脑能够制造，它也许能够执行比今天的电脑所能完成的任务复杂得多的任务；譬如在人群中认出一个面孔以及人脑所能够轻而易举地解决的其他成像问题。

在商业应用上，一些新兴公司正在开发带有嵌入式传感器的衬衫、手表、臂章和戒指，它们可使身患各种小毛病的普通民众随时跟踪自己的心、肺、体温和运动情况。除了可穿戴的医疗设备之外，研究人员还在探索可植入的芯片级设备。在这方面，最富挑战也最吸引人的就是神经弥补术和可植入芯片神经元。有一天，它们将可能执行由于中风或癫痫而损害的一部分大脑功能。该项研究目前主要处于动物试验阶段，据研究人员透露，在人体上的研究将是5到10年之后的事情。目前最棘手的问题之一就是定义身体组织和芯片之间的互联接口。

生物工程学和微电子学的结合是最新发展的一个科学领域。英国雷丁大学的沃里克教授日前宣布，他将通过外科手术，把一个电脑芯片植入他的脑子中，并且让这个电脑芯片和他大脑的神经相连接。

沃里克表示，这块芯片的主要部分是一个微处理器，上面有微型电池，有一个无线电发射器和接收装置，同时还有一个处理和存储的芯片。芯片和大脑内膜丰富的神经纤维末梢相连接。

沃里克表示，目前还不知道他的大脑对芯片的反应如何。如果试验成功，那将会对人工智能机器人的研究产生革命性的影响，甚至可能导致人类记忆可以移植。例如可以把整个大英百科全书、英汉字典的芯片植入人脑，参加各种考试的时候一定可以获得高分。