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中国科学家发明“蚕丝硬盘”,或将开启芯片存储新纪元

发布时间:2021-11-02

近日,上海科学家推出全球首款“蚕丝硬盘”,将半导体材料与生物介质融合,发明出一种可以同时记录数字信息和生物信息的新科技存储硬盘。5000年的古老生物见证了中华文明的历史,如今成为数据的存储介质,在未来科技里重获新生。

世界是二进制单元,由无数个0101组成,1956年,世界上第一个硬盘驱动器出现(机械硬盘),存储信息时以电磁铁改变旋转磁盘上磁性材料的极性,由极性磁头在硬盘上以正负两极的写入以“0”和“1”,实现数据写入。1980年,日本发现闪存技术并由此发明固态硬盘,因使用稳定、运行速度快、容量大等特点,至今仍作为信息处理的主流硬件设备。

进入21世纪,利用分子结构进行编码的各类生物存储技术相继出现。2020年,可同时存储数字信息、生物信息的新一代蚕丝蛋白存储技术惊艳问世。蚕丝蛋白硬盘不但能储存数字信息,还能储存生物信息,包括血液、DNA等人体差异化生物信息。


中国科学院上海微信通与信息技术研究所研究员,上海微系统所2020前沿实验室主任陶虎介绍:

从溶解后的蚕丝中提取蚕丝蛋白,以蚕丝蛋白溶液作为起始材料,通过一系列生物制造技术成硬盘、传感器、光学器件等。这是一种区别于蚕丝纺织品的新科技材料、新技术路线。

通过纳米加工技术,将蚕丝蛋白作为介质,生产高密度二进制的纳米图形,通过读取纳米图形的二进制记录与读取信息。在容量方面,实验室已经做到和普通台式机硬盘相等。在技术优化后,可实现现有容量10倍以上。

由于蚕丝蛋白没有电学介质,在强磁场、强辐射与极端条件(高温、低温、高湿度)下可以正常工作,具有综合性的应用优势,通过这种技术可以应用的场景包含多种。

部分医疗诊室或设备在工作时不允许金属异物进入,应用蚕丝蛋白硬盘存储器,可以实现在核磁共振等怕磁干扰的高端仪器设备中,让所有人都能正常进行身体检查。

相比地球,外太空存在强烈的宇宙射线、真空环境、高低温骤变等极端情况,蚕丝硬盘可在外太空等极端条件下实现信息存储与运输,相比传统的半导体硬盘,在信息存储与运输上能够完美克服这些极端挑战。


中华医学会神经外科分会候任主委,复旦大学附属华山医院院长毛颖表示:

临床手术中为判断脑内的情况,会通过外科手术将外物(异物)传感器植入脑内。目前使用的材料多为化工、金属制品,长期停留脑内会有存在一定几率会导致腐蚀并释放有毒物质,因此临床上希望找到一种更接近人体的材料进行替代。

经处理的蚕丝蛋白免疫原性会降低,获得与人体更好的相容性,是一种很好的传感器介质材料,在信息存储、信息传输、信息重现等获取方式上。科学家一直致力于在现有储存技术的基础上突破材料与加工技术,实现新型生物储存技术开发。


传感器重要的就是信息获取、信息存储、信息传输、信息重现。科学家考虑在现有储存技术的基础上突破材料与加工技术,实现新型生物储存技术开发。医院委托上海微系统研究所研发一种传感器,希望能够在大脑里记录一些信息,比如脑积液的温度、各元素含量。通过传感器的高效引导,将其实时数据用于其他更多的研究中,同步传输与储存设备中,形成数据库和交互网络。希望可将蚕丝蛋白作为传感器的介质或接触材料,这对临床医生的日常工作或科研项目都有很大的帮助。


作为一种介质材料,蚕丝就像一个“百变金刚”,我们有时需要用到它的“硬度”,有时需要用到它的“柔韧性”,因具备优异的组织相容性,蚕丝蛋白可根据需求开发人体支架、人工脑膜等外物器官。

①解决核磁共振、CT等情况下,人体植入金属(钛合金等)材料导致的图像伪影问题——颌面部、大脑的神经外科应用前景较广阔。

②解决植入人体的金属(不锈钢、钛合金)骨钉需二次手术取出的问题。

③为防止堵塞,在心脏、大脑血管内安装金属支架,导致一些身体检查不能正常进行——金属异物在一些高磁场仪器工作时会发生位移情况。

④希望材料既保留金属的足够支撑力,又能够实现可控降解,长期或短期内在人体内留存且不会产生排异反应,降解后的产物亦可被人体安全吸收。


从结绳记事到竹简纸张,从计算机储存到光盘刻录,储存信息的工具经历了几千年变革,生命科学与半导体技术融合为信息技术带来了全新思路,各种基于生物介质的存储技术应运而生。而生物存储技术也被科学家认为是下个时代的主流信息存储方式。

①高容量DNA存储技术由来已久,通过血液中的碱基存储二进制信息,理论存储极限是传统硬盘的几十万-几百万倍,这也是DNA存储的最大优势。然而,DNA存储信息时的输入和读出并非一套系统,因此多用于特别高容量储存(单纯存储,不能时常读取信息)。

②蚕丝蛋白存储器的读取技术基于传统光学读取(半导体硬盘磁头读取),与现代的主流读取技术相对更加兼容,无需过多升级优化,可以直接使用在现代设备中,科学家通过加速老化试验发现蚕丝蛋白硬盘的使用寿命可达6年以上。是一种经过开发后能够真正实现日常使用的储存硬件。


不同硬度蚕丝蛋白的临床应用

脑外科手术中,颅骨固定装置(骨钉、连接片)需要硬度较高的材料,这一材料会在病人骨头自我修复过程中(6~12个月)逐渐降解,在骨骼完全康复的时间点前实现完全降解。而脑外科手术中的人工脑膜则需要一种很软且永远不会降解的材料,终身伴随人体,不会产生任何排斥反应。

针对以上特定需求,中科院上海微系统所于2017年成功研制出蚕丝蛋白骨钉,并在此基础上继续研发各类人体植入或实现替代的组织器官。未来或将可沿用至医美整形产业。

①鼻假体——永不降解

②人造皮肤——短期可控降解

③人造韧带、人造血管、人造外周神经——长期可控降解


过去,蚕丝蛋白主要用于临床级的组织创面修复,而以蚕丝蛋白制作高端医疗器械产品,目前国内还尚处于试验阶段(技术已领先全球),其本身的成本远低于现在所用的传统材料,我国是全球第一产丝大国,蚕丝来源丰富,蚕丝在未来或将成为国际上的硬通物资实现流通。

相对于传统行业,科技的发展正在不断突破人们的想象,“蚕丝硬盘”技术的诞生,不但标志着信息存储方式的发生变革,未来或许有可能与人脑协同运作,配合植入的传感器+储存器,实时分析大脑的语言功能功、记忆功能、情感功能并记录储存。通过开发“蚕丝硬盘”将加速人类对大脑的探索与开发,快速的分析、归档、储存功能或将逐步延伸到到教育、医疗等民生产业中,实现刚性需求的快速开发。而这也是为什么蚕丝蛋白材料被科学家誉为“最有希望的生物材料之一”的重要原因。

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