当生命科学与半导体技术的融合,给信息存储带来了新思路。
2020年,由中科院上海微系统所陶虎团队开发出国际首块基于天然生物蛋白的硬盘存储器,可以实现数字信息和生物信息的同步存储,2022年初,陶虎再次创新开发出基于蚕丝蛋白的多层级可植入瞬态存储器,是柔性电子与可植入器件中的重要组成部分和信息存储媒介,器件在实现可控降解的同时,还具备稳定的存储和加密功能。
蚕丝,居然可以做成“硬盘”来存储信息?陶虎表示,选择生物兼容性良好、易于掺杂功能化、降解速率可控的天然蚕丝蛋白作为信息存储介质,近场红外纳米光刻技术作为数字信息写入方式。这项蚕丝存储技术目前已实现了图像和音频文件准确记录、存储和读取的原理验证。
谈及与普通硬盘的区别,陶虎说,“蚕丝硬盘直接用非磁性蚕丝蛋白材料作为存储介质,不会受到强磁场、强辐射、微波辐照等干扰,”他表示蚕丝蛋白从某种程度上来说是一种厌水性材料,在一定纳米尺度下会形成防水、防气的致密结构,保护包覆在其中的蛋白质、DNA等易于损坏的活性有机分子,使其不受破坏。
蚕丝硬盘作为一种高容量、高可靠性的新型存储技术,不仅可以像普通硬盘那样存储数字信息,还可为活性生物信息存储提供一个功能巨大的平台,用于采集存储生物信息,例如同时存储人体 DNA和血液样本。
由于制作蚕丝硬盘的蚕丝蛋白介质极易掺杂各种生物分子并能长期保存它们的生物活性,陶虎透露,“我们可以预先把 DNA和血液样本掺入蚕丝蛋白溶液中制成蚕丝硬盘,这样就将生物信息储存进去了”。同时,还可以按照预设的时序可控销毁,从而用于信息保密。由于蚕丝蛋白易掺杂各种功能分子进行功能化,因而可以增加信息存储的维度。
畅想未来,有一天人类要移民到外太空,到时候只需要携带如此一张储存了人们数字信息和生物信息的蚕丝硬盘到外太空,数字信息可以记录姓名、年龄、爱好等基本信息,DNA携带有全套的基因信息。
据悉,研究团队对蚕丝硬盘的寿命和数据的安全性进行了为期1.5年的实时稳定性研究和等效 6年的加速老化实验研究(120°C,52 h),尚未发现数据丢失问题,因此其使用寿命究竟多长目前还不得而知。相信随着该技术的不断完善,蚕丝硬盘有望成为下一代高容量、高可靠的信息存储技术,与现有技术形成良好的互补。
除了可以制作存储器外,蚕丝在传感器和医疗器械方面也有十分广阔的用途。陶虎描述道,由于蚕丝蛋白是一种机械性能佳、介电损耗小的材料,并且还能兼容大部分微纳加工工艺,这些性质十分符合柔性电子器件对基底和介质材料的要求,因此我们成功将其应用到人体可集成的柔性传感器中,包括能量采集器、力学传感器、仿生视觉、脑机接口等等。
作为我国脑机接口、人工智能和微纳传感领域的权威专家,陶虎在2021年底携手中科大同学彭雷共同创立脑机接口公司脑虎科技,身兼首席科学家的他主张采用半自动微创植入柔性电极的手段,并采用蚕丝蛋白把电极柔软的表面固化,方便植入。当植入完成后,蚕丝蛋白便会溶解,逐渐恢复之前的柔软,不仅如此,与大脑组织的排异反应也较小,安全程度明显超过Neuralink。
可见,当现代科技遇到传统蚕丝,智能生物材料为信息存储与健康医疗带来新的契机。
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