當生命科學與半導體技術的融合,給信息存儲帶來了新思路。
2020年,由中科院上海微系統所陶虎團隊開發出國際首塊基于天然生物蛋白的硬盤存儲器,可以實現數字信息和生物信息的同步存儲,2022年初,陶虎再次創新開發出基于蠶絲蛋白的多層級可植入瞬態存儲器,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,器件在實現可控降解的同時,還具備穩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,近場紅外納米光刻技術作為數字信息寫入方式。這項蠶絲存儲技術目前已實現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,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、防氣的致密結構,保護包覆在其中的蛋白質、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,不僅可以像普通硬盤那樣存儲數字信息,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字信息和生物信息的蠶絲硬盤到外太空,數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。
據悉,研究團隊對蠶絲硬盤的壽命和數據的安全性進行了為期1.5年的實時穩定性研究和等效 6 年的加速老化實驗研究(120°C,52 h),尚未發現數據丟失問題,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,與現有技術形成良好的互補。
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,這些性質十分符合柔性電子器件對基底和介質材料的要求,因此我們成功將其應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域的權威專家,陶虎在2021年底攜手中科大同學彭雷共同創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也較小,安全程度明顯超過Neuralink。
可見,當現代科技遇到傳統蠶絲,智能生物材料為信息存儲與健康醫療帶來新的契機。
