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实现人性化医疗的MEMS器件
纳米技术实现的医疗设备革命
2012.10.12
在半导体领域，“MEMS”（微机电系统）这个关键词经常被听到。 MEMS是指将电子电路、各种传感器、机械部件等集成到单个基板上的装置。 MEMS技术已经应用于打印机头、投影仪等，未来市场规模有望扩大。一个有前景的领域是医疗保健。我们向日本早期就参与MEMS研究的东北大学Masaki Esashi教授询问了纳米技术在医学领域的潜力。
小型传感器开始在体内使用
──江差教授，您正在广泛领域研究MEMS，但是您是如何对医疗领域产生兴趣的呢？
1970 年我在东北大学的研究实验室的主题是医疗电子学。我的老师用真空管制作脑电图监视器和心电图机，并在医学院协助老师。 1965年，日立公司的大野稔成功开发出日本第一个MOS晶体管（当今半导体产品中最常用的晶体管。它的工作功耗相对较低，并且可以高密度集成）。当我进入研究生院时，我使用日立制造的MOS晶体管创建了一种半导体离子传感器。晶体管的尺寸约为数百微米。导线仅留下 50 微米的部分，用受热熔化的蜡绝缘，然后与电解液接触，测量电解液中的电位和离子浓度。当年我用牙签给晶体管打蜡，大家都夸我手艺好。因当时流行的007电影而被称为“金手指”（笑）。后来，传感器部分的形状像梳子的齿，这样它就可以连接到导管（插入血管或输尿管的细管）的尖端。可乐丽于 1980 年将其商业化，称为“导管 pH、CO2 传感器”。
直到1970年左右，日本正处于从真空管到晶体管、从晶体管到集成电路的转变之中，许多制造商开始在日本生产计算器。在此之前，工程师一直通过组装晶体管等从头开始构建电子电路，但随着集成电路的出现，这也是一个开始在芯片上构建电路的时代。
──MEMS这个词出现在1987年左右。这个时候有重大突破吗？
这项技术自 20 世纪 70 年代以来就已存在。 20 世纪 80 年代初，压力传感器对于控制汽车发动机以满足废气法规至关重要。为了防止不完全燃烧，市场上引入了一种技术，通过传感器测量空气密度（气压）并向发动机喷射相应量的燃油。
MEMS 一词于 1987 年在东京举行的 Transducer 国际会议上成为人们关注的焦点。在这次会议上，AT&T 贝尔实验室推出了微型齿轮，并于次年推出了实际的旋转电机。
20世纪90年代，汽车开始安装安全气囊，并使用MEMS加速度传感器来检测碰撞。加速度计现在用于 iPhone 等智能手机的用户界面，大型 MEMS 阵列现在用于打印机头和视频投影仪。
汽车似乎引领了潮流，完善的技术开始应用于IT领域并得到广泛应用。
──MEMS在医疗系统中的应用与其他领域有何不同？
这被称为微创医学，在医疗护理中重要的是要尽可能避免对患者的身体造成伤害。而且，由于它是一次性的以防止感染，因此成本一定很低。
最近，随着更低功耗和更高处理能力的进步，有趣的应用程序层出不穷。例如，密歇根大学开发的眼压计。如果眼压升高过多，可能会发展为青光眼并导致失明，但这款眼压计旨在防止这种情况发生。这款 1 毫米的设备还包含一个沙粒大小的太阳能电池，插入眼睑内以测量眼压。虽然它很小，但它使用一个工作电压为04伏和90纳瓦的微处理器，当从外部调用时，它可以获得三天的眼压数据。
此外，可植入体内的传感器的研究正在全球范围内取得进展。大脑中植入了大约 1000 个电极，每个电极都会接收大脑脉冲。获取的脉冲被处理并作为数据包从大脑内部无线传输，使我们能够确定哪些电极产生脉冲以及何时产生脉冲。
大约 20 年前，我们的实验室正在开发触觉传感器网络，但当时的技术缺乏使其发挥作用的处理能力。我们目前正在与丰田汽车公司合作开发的触觉传感器网络系统将尽可能复杂，换句话说，就像将互联网放入你的体内一样。当传感器检测到触摸并发出信号时，信号会被发送到大脑中的计算机，而不是由中央处理器检查每个传感器。预计护理机器人将配备触觉，以防止其与人类碰撞并造成伤害。
我们还在开发“主动导管”等医疗设备。
