In situ acoustic manufacturing of conformal brain–computer interfaces
本文提出了一种人工智能引导的原位超声打印（AiUP）技术，这是一种闭环声学制造策略，利用压力响应纳米笼和人工智能控制器，直接在脑表面打印出具有保形性且稳定的脑机接口，从而克服了传统预制植入物的机械失配和手术局限性。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
人类大脑是一个柔软、湿润且不断运动的器官，被一层保护性膜包裹，并漂浮在液体中。几十年来，科学家和医生一直试图将计算机连接到这种脆弱的组织上，以帮助治疗瘫痪、癫痫或其他神经系统疾病。传统的方法涉及将一个预制的设备——通常是刚性或半柔性的导线阵列——通过手术放置在大脑表面。这种方法存在一个根本性的缺陷：工厂制造的物体无法完美匹配活体大脑独特、弯曲且不断变化的形态。这种不匹配会导致设备与组织摩擦，从而引发炎症、疤痕组织，并导致其原本旨在捕捉的电信号逐渐丢失。大脑在移动，但设备不动，这种差异随时间推移会造成性能退化。
为了解决这个问题，研究人员长期以来一直在寻求一种直接在大脑上构建这些接口，而不是植入它们的方法。然而，大脑是一个难以进行制造的地方。光线无法穿透得足够深来固化材料，而热量又是危险的，因为它会损伤敏感的神经细胞。其他挤压或推入材料的方法则有损伤组织的风险。挑战在于寻找一种方法，能够使用一种既能看穿组织、又能实现无接触移动，且能仅在需要之处触发化学反应的工具，在体内深处制造出一种柔软且具有导电性的界面。
一支研究团队现在开发出了一套满足这些挑战的系统，将超声波（即用于医学影像的声波）转化为一种精确的制造工具。他们称之为“AI引导的原位超声打印”。该系统并非将成品电极带到大脑，而是将液态油墨带到表面，并利用聚焦声波将该液体在精确需要的位置转变为固体导电凝胶。整个过程由名为 EchoAgent 的人工智能控制器引导，它实时观察打印过程，并调整声波以确保图案正确形成，即使在大脑移动或声波发生畸变的情况下也是如此。
这项技术的关键在于一种特殊的油墨。研究人员创造了一种含有微型中空笼状结构的液态混合物，这些笼状结构是由一种改良型的丝绸制成的。这些笼子被设计为在感受到特定强度的声波压力之前保持稳定。当聚焦超声波击中油墨时，笼子会在精确的压力水平下塌陷，释放出一种化学触发剂，使液态油墨瞬间变成柔软的导电水凝胶。由于笼子仅在特定压力下破裂，研究人员可以精确控制凝胶形成的位置和方式。他们甚至可以混合不同类型的笼子，以创建具有不同强度的材料层，且全部在单次打印过程中完成。这使得他们能够制造出既足够柔软以随大脑移动，又足够坚固以清晰传导电信号的电极。
为了使这项技术在活体动物体内发挥作用，团队构建了一台结合了用于打印的声波与高频超声成像的机器。这使得他们能够同时看到油墨、大脑表面以及整个打印过程。人工智能 EchoAgent 充当了操作的“大脑”。它分析超声图像以定位目标区域，规划声波应遵循的路径，并不断针对人体自然运动引起的漂移或畸变进行修正。如果大脑发生轻微位移，AI 会立即调整声波以保持打印轨迹。这种闭环系统确保了最终的电极能以高精度符合预期设计，而这对于人工手动操作来说几乎是不可能完成的任务。
研究人员在啮齿类动物和大猪两种体型差异巨大的动物身上测试了该系统。在小鼠和大鼠实验中，他们成功地直接在脑表面打印出了柔性电极阵列。这些打印出的电极能以高清晰度记录大脑活动，既能捕捉稳定的背景信号，也能捕捉神经冲动的尖锐脉冲。该系统在数月内表现稳定，且电极受运动干扰的情况比传统设备更少。在癫痫模型中，打印出的传感器能够检测到癫痫发作的早期预警信号，表明它们可用于监测并可能预防危险事件。
随后，团队将实验规模扩大到了猪，猪的大脑比啮齿类动物更大、更复杂，其褶皱和曲线更接近人类大脑。他们首先证明了该系统可以在皮肤下打印电极以记录脑波，随后进阶到直接在暴露的大脑表面进行打印。打印出的电极形成了一个完美贴合大脑轮廓的层。这些传感器记录了感官刺激期间详细的电活动，甚至允许研究人员解码动物的预期动作。尽管环境更为庞大且声学环境更具挑战性，AI 仍成功管理了打印过程，证明了该技术可以在大型复杂生物系统中发挥作用。
结果表明，这种方法创造了技术与生物之间的无缝界面。通过直接在组织上构建电极，该系统消除了通常导致损伤和信号丢失的间隙。打印出的电极柔软、具有导电性，且在机械特性上与大脑相匹配，从而实现了稳定的长期记录。这项研究证明，利用声波和人工智能在活体内部制造复杂的神经接口是可行的，这为开发比目前任何现有技术都更少侵入性且更有效的脑机接口提供了一条新途径。这种方法不仅仅是改进了我们如何将设备连接到大脑的方式，它还改变了我们与大脑交互的基本逻辑——从“强迫设备去适应”转变为“生长出一个完美契合的设备”。
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