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本文作者：陳敏蘭（飛秒激光從業(yè)者）

腦機(jī)接口，brain-computer interface，英文縮寫B(tài)CI。

從詞語(yǔ)結(jié)構(gòu)，可以看出有兩個(gè)主體：大腦、計(jì)算機(jī)。而接口，可以理解為大腦和計(jì)算機(jī)技術(shù)的交互。比如，癱瘓的病人利用該項(xiàng)技術(shù)，可以通過(guò)意念去操控機(jī)械手臂，從而實(shí)現(xiàn)倒水、打字等本身無(wú)法完成的動(dòng)作。

腦機(jī)接口技術(shù)是一項(xiàng)前沿、熱門的研究領(lǐng)域，在生物醫(yī)療、腦科學(xué)研究、航空航天等領(lǐng)域具有重要的價(jià)值。

而電極是腦機(jī)接口的重要組成，是腦機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件，是連接電子設(shè)備和生物神經(jīng)系統(tǒng)的傳感器，是溝通大腦和電腦的橋梁與紐帶。因此，破解微納尺度的腦電極加工奧秘，是打開腦機(jī)接口技術(shù)的月光寶盒。

1、腦機(jī)接口電極有哪些？

（1）從接觸方式或程度來(lái)看，可以分為：非侵入式、半侵入式和侵入式。

非侵式，是指通過(guò)頭皮穿戴設(shè)備記錄大腦的神經(jīng)活動(dòng)。常見的有腦電圖（EEG）、腦磁圖（MEG）等。其優(yōu)點(diǎn)是成本較低，沒有創(chuàng)傷風(fēng)險(xiǎn)，缺點(diǎn)是所能采集的信息量有限，有點(diǎn)類似于單機(jī)操作。

半侵入式，是指通過(guò)將電極植入頭皮下、貼合硬腦膜，但不僅如此大腦皮層的技術(shù)。如皮層腦電圖（ECoG）。

侵入式，是指通過(guò)外科手術(shù)將微電極陣列植入大腦內(nèi)部，如皮層或皮層下方，實(shí)時(shí)記錄大腦神經(jīng)群體活動(dòng)信號(hào)。這是腦機(jī)接口技術(shù)中最能直接獲取大腦內(nèi)部信息的方式，其信號(hào)質(zhì)量高、精度佳。

從這一分類方式可以推斷，腦機(jī)接口所使用的電極，其制造尺寸較小、厚度較薄，此外，這一微型電極的加工端面需平整光滑，否則很容易在植入后讓身體產(chǎn)生排異反應(yīng)。而小尺寸，薄料的減材加工，正是飛秒激光所擅長(zhǎng)的，它利用高峰值功率和短脈沖寬度特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高精度、無(wú)毛刺的精密加工。飛秒激光，是當(dāng)前微納加工的一項(xiàng)重要加工技術(shù)。

（2）從電極材料和特性來(lái)看，可以分為：剛性電極、柔性電極。

剛性電極：在過(guò)去的腦機(jī)接口電極的制造中，主要是以鎢、金、合金等剛性材料和半導(dǎo)體材料為主。剛性電極存在一定的局限性，比如容易增加生物排異性，此外，組裝過(guò)程復(fù)雜，難以精確控制剛性電極對(duì)準(zhǔn)，這也會(huì)對(duì)生物組織與電極之間信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率產(chǎn)生影響。

柔性電極：柔性有機(jī)材料，不僅可以保證電氣性能，還可以避免剛性材料的不足，如柔性材料可以增強(qiáng)電極的生物相容性和機(jī)械柔順性，擴(kuò)大了神經(jīng)電極界面材料的選擇范圍。柔性電極主要有薄膜電極、微絲電極等。

從這一角度可以看到，腦機(jī)接口電極對(duì)于材料的拓展性是比較強(qiáng)的，其中可能會(huì)涉及很多傳統(tǒng)加工工藝較難實(shí)現(xiàn)的精細(xì)加工，如高分子薄膜等熱敏性材料。飛秒激光的核心優(yōu)勢(shì)，是對(duì)材料的無(wú)限制性，同時(shí)具有極小的熱影響，因此可以很好解決未來(lái)柔性電極更多材料的探索。

2、微電極的制造技術(shù)有哪些？

據(jù)說(shuō)目前主流的有兩種，一種是微絲電極，一種是半導(dǎo)體襯底的硅電極。

那么他們是怎么制造得到的呢？

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，可用于高密度電極陣列加工，其原理是在硅晶圓或柔性聚合物基底上，旋涂光刻膠，通過(guò)掩膜版進(jìn)行紫外曝光，將電極的微觀圖形轉(zhuǎn)移到基片上。該技術(shù)目前已被部分醫(yī)療企業(yè)應(yīng)用，如階梯醫(yī)療將啟動(dòng)建設(shè)醫(yī)療級(jí)MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）電極加工平臺(tái)，重點(diǎn)解決癱瘓、失語(yǔ)等疾病患者的臨床難題。

雖然MEMS工藝加工的電極精度極高，但也存在局限性，如需配合掩膜板，整套工藝步驟較多、產(chǎn)線初期投入成本大，此外，產(chǎn)線所需的工作環(huán)境要求也比較高，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本大。

飛秒激光作為一種無(wú)材料限制性，且精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)加工工藝的柔性制造技術(shù)，為腦機(jī)電極的精密加工帶來(lái)更多的“解題思路”。

飛秒激光的減材加工，主要是三大方向：微孔、刻蝕、切割，均有可能應(yīng)用于腦機(jī)電極的制造。如：

（1）微孔：飛秒激光對(duì)于材料具有無(wú)限制的特點(diǎn)，因此對(duì)于腦電極材料的多層疊加結(jié)構(gòu)，也可以加工微米級(jí)微孔，深徑比10:1內(nèi)，可匹配電氣互連設(shè)計(jì)的需求。

（2）刻蝕：飛秒激光可以加工金屬薄膜，而不損傷底部的柔性聚合物基材，線條刻蝕寬度最小可達(dá)5μm，精度最高可達(dá)±1μm。這完美符合各類電極導(dǎo)線和焊盤圖案的加工要求。

（3）切割：飛秒激光在切割方面，可以保證切割斷面光滑無(wú)毛刺，因此可以完成晶圓片上局部柔性電極陣列的切割，且做到較高的精度、良好的切割質(zhì)量。

3、飛秒激光有哪些優(yōu)勢(shì)？

與MEMS相比，飛秒激光加工似乎更適合腦機(jī)接口電極的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作，因?yàn)槠渚哂腥缦绿攸c(diǎn)：

（1）飛秒激光可以直接刻蝕圖案，利用激光瞬時(shí)能量使得材料氣化去除，形成精密圖形，無(wú)需掩模版，因此設(shè)計(jì)、驗(yàn)證的周期更短，成本更低。

（2）飛秒激光可加工任意固體材料，無(wú)材料限制性，如傳統(tǒng)的剛性電極材料金、鎢等，還有半導(dǎo)體材料硅，以及各種柔性聚合物，均可以加工。

4、結(jié)語(yǔ)

腦機(jī)接口技術(shù)為何可以引起大家的關(guān)注？

一方面是其發(fā)展和我們的醫(yī)療健康息息相關(guān)，另一方面是其應(yīng)用范圍很廣，將來(lái)或許可以應(yīng)用于國(guó)防軍事、娛樂、教育等生活的方方面面。

因此，了解電極的加工技術(shù)，做好電極的研發(fā)工作，才能穩(wěn)扎穩(wěn)打，不斷推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)的落地。