世界是二進制單元，由無數(shù)個0101組成，1956年，世界上第一個硬盤驅(qū)動器出現(xiàn)(機械硬盤)，存儲信息時以電磁鐵改變旋轉(zhuǎn)磁盤上磁性材料的極性，由極性磁頭在硬盤上以正負兩極的寫入以“0”和“1”，實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入。1980年，日本發(fā)現(xiàn)閃存技術(shù)并由此發(fā)明固態(tài)硬盤，因使用穩(wěn)定、運行速度快、容量大等特點，至今仍作為信息處理的主流硬件設(shè)備。進入21世紀，利用分子結(jié)構(gòu)進行編碼的各類生物存儲技術(shù)相繼出現(xiàn)。2020年，可同時存儲數(shù)字信息、生物信息的新一代蠶絲蛋白存儲技術(shù)驚艷問世。
近日，上海科學(xué)家推出全球首款“蠶絲硬盤”，將半導(dǎo)體材料與生物介質(zhì)融合，發(fā)明出一種可以同時記錄數(shù)字信息和生物信息的新科技存儲硬盤。5000年的古老生物見證了中華文明的歷史，如今成為數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)，在未來科技里重獲新生。
蠶絲蛋白硬盤不但能儲存數(shù)字信息，還能儲存生物信息，包括血液、DNA等人體差異化生物信息。
一、中國科學(xué)院上海微信通與信息技術(shù)研究所研究員，上海微系統(tǒng)所2020前沿實驗室主任陶虎介紹：
從溶解后的蠶絲中提取蠶絲蛋白，以蠶絲蛋白溶液作為起始材料，通過一系列生物制造技術(shù)成硬盤、傳感器、光學(xué)器件等。這是一種區(qū)別于蠶絲紡織品的新科技材料、新技術(shù)路線。
通過納米加工技術(shù)，將蠶絲蛋白作為介質(zhì)，生產(chǎn)高密度二進制的納米圖形，通過讀取納米圖形的二進制記錄與讀取信息。在容量方面，實驗室已經(jīng)做到和普通臺式機硬盤相等。在技術(shù)優(yōu)化后，可實現(xiàn)現(xiàn)有容量10倍以上。
由于蠶絲蛋白沒有電學(xué)介質(zhì)，在強磁場、強輻射與極端條件(高溫、低溫、高濕度)下可以正常工作，具有綜合性的應(yīng)用優(yōu)勢，通過這種技術(shù)可以應(yīng)用的場景包含多種。
部分醫(yī)療診室或設(shè)備在工作時不允許金屬異物進入，應(yīng)用蠶絲蛋白硬盤存儲器，可以實現(xiàn)在核磁共振等怕磁干擾的高端儀器設(shè)備中，讓所有人都能正常進行身體檢查。
相比地球，外太空存在強烈的宇宙射線、真空環(huán)境、高低溫驟變等極端情況，蠶絲硬盤可在外太空等極端條件下實現(xiàn)信息存儲與運輸，相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體硬盤，在信息存儲與運輸上能夠完美克服這些極端挑戰(zhàn)。
二、中華醫(yī)學(xué)會神經(jīng)外科分會候任主委，復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院院長毛穎表示：
臨床手術(shù)中為判斷腦內(nèi)的情況，會通過外科手術(shù)將外物(異物)傳感器植入腦內(nèi)。目前使用的材料多為化工、金屬制品，長期停留腦內(nèi)會有存在一定幾率會導(dǎo)致腐蝕并釋放有毒物質(zhì)，因此臨床上希望找到一種更接近人體的材料進行替代。
經(jīng)處理的蠶絲蛋白免疫原性會降低，獲得與人體更好的相容性，是一種很好的傳感器介質(zhì)材料，在信息存儲、信息傳輸、信息重現(xiàn)等獲取方式上?？茖W(xué)家一直致力于在現(xiàn)有儲存技術(shù)的基礎(chǔ)上突破材料與加工技術(shù)，實現(xiàn)新型生物儲存技術(shù)開發(fā)。
傳感器重要的就是信息獲取、信息存儲、信息傳輸、信息重現(xiàn)。科學(xué)家考慮在現(xiàn)有儲存技術(shù)的基礎(chǔ)上突破材料與加工技術(shù)，實現(xiàn)新型生物儲存技術(shù)開發(fā)。醫(yī)院委托上海微系統(tǒng)研究所研發(fā)一種傳感器，希望能夠在大腦里記錄一些信息，比如腦積液的溫度、各元素含量。通過傳感器的高效引導(dǎo)，將其實時數(shù)據(jù)用于其他更多的研究中，同步傳輸與儲存設(shè)備中，形成數(shù)據(jù)庫和交互網(wǎng)絡(luò)。希望可將蠶絲蛋白作為傳感器的介質(zhì)或接觸材料，這對臨床醫(yī)生的日常工作或科研項目都有很大的幫助。
作為一種介質(zhì)材料，蠶絲就像一個“百變金剛”，我們有時需要用到它的“硬度”，有時需要用到它的“柔韌性”，因具備優(yōu)異的組織相容性，蠶絲蛋白可根據(jù)需求開發(fā)人體支架、人工腦膜等外物器官。
1、解決核磁共振、CT等情況下，人體植入金屬(鈦合金等)材料導(dǎo)致的圖像偽影問題——頜面部、大腦的神經(jīng)外科應(yīng)用前景較廣闊。
2、解決植入人體的金屬(不銹鋼、鈦合金)骨釘需二次手術(shù)取出的問題。
3、為防止堵塞，在心臟、大腦血管內(nèi)安裝金屬支架，導(dǎo)致一些身體檢查不能正常進行——金屬異物在一些高磁場儀器工作時會發(fā)生位移情況。
4、希望材料既保留金屬的足夠支撐力，又能夠?qū)崿F(xiàn)可控降解，長期或短期內(nèi)在人體內(nèi)留存且不會產(chǎn)生排異反應(yīng)，降解后的產(chǎn)物亦可被人體安全吸收。
從結(jié)繩記事到竹簡紙張，從計算機儲存到光盤刻錄，儲存信息的工具經(jīng)歷了幾千年變革，生命科學(xué)與半導(dǎo)體技術(shù)融合為信息技術(shù)帶來了全新思路，各種基于生物介質(zhì)的存儲技術(shù)應(yīng)運而生。而生物存儲技術(shù)也被科學(xué)家認為是下個時代的主流信息存儲方式。
高容量DNA存儲技術(shù)由來已久，通過血液中的堿基存儲二進制信息，理論存儲極限是傳統(tǒng)硬盤的幾十萬-幾百萬倍，這也是DNA存儲的最大優(yōu)勢。然而，DNA存儲信息時的輸入和讀出并非一套系統(tǒng)，因此多用于特別高容量儲存(單純存儲，不能時常讀取信息)。
蠶絲蛋白存儲器的讀取技術(shù)基于傳統(tǒng)光學(xué)讀取(半導(dǎo)體硬盤磁頭讀取)，與現(xiàn)代的主流讀取技術(shù)相對更加兼容，無需過多升級優(yōu)化，可以直接使用在現(xiàn)代設(shè)備中，科學(xué)家通過加速老化試驗發(fā)現(xiàn)蠶絲蛋白硬盤的使用壽命可達6年以上。是一種經(jīng)過開發(fā)后能夠真正實現(xiàn)日常使用的儲存硬件。
三、不同硬度蠶絲蛋白的臨床應(yīng)用
腦外科手術(shù)中，顱骨固定裝置(骨釘、連接片)需要硬度較高的材料，這一材料會在病人骨頭自我修復(fù)過程中(6~12個月)逐漸降解，在骨骼完全康復(fù)的時間點前實現(xiàn)完全降解。而腦外科手術(shù)中的人工腦膜則需要一種很軟且永遠不會降解的材料，終身伴隨人體，不會產(chǎn)生任何排斥反應(yīng)。
針對以上特定需求，中科院上海微系統(tǒng)所于2017年成功研制出蠶絲蛋白骨釘，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研發(fā)各類人體植入或?qū)崿F(xiàn)替代的組織器官。未來或?qū)⒖裳赜弥玲t(yī)美整形產(chǎn)業(yè)。
1、鼻假體——永不降解
2、人造皮膚——短期可控降解
3、人造韌帶、人造血管、人造外周神經(jīng)——長期可控降解
過去，蠶絲蛋白主要用于臨床級的組織創(chuàng)面修復(fù)，而以蠶絲蛋白制作高端醫(yī)療器械產(chǎn)品，目前國內(nèi)還尚處于試驗階段(技術(shù)已領(lǐng)先全球)，其本身的成本遠低于現(xiàn)在所用的傳統(tǒng)材料，我國是全球第一產(chǎn)絲大國，蠶絲來源豐富，蠶絲在未來或?qū)⒊蔀閲H上的硬通物資實現(xiàn)流通。
相對于傳統(tǒng)行業(yè)，科技的發(fā)展正在不斷突破人們的想象，“蠶絲硬盤”技術(shù)的誕生，不但標志著信息存儲方式的發(fā)生變革，未來或許有可能與人腦協(xié)同運作，配合植入的傳感器+儲存器，實時分析大腦的語言功能功、記憶功能、情感功能并記錄儲存。
通過開發(fā)“蠶絲硬盤”將加速人類對大腦的探索與開發(fā)，快速的分析、歸檔、儲存功能或?qū)⒅鸩窖由斓降浇逃?、醫(yī)療等民生產(chǎn)業(yè)中，實現(xiàn)剛性需求的快速開發(fā)。
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