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德国开发出用于控制假肢移动的非侵入性量子传感器技术
发布时间:
2025-01-02
据国外媒体消息，近日，在假肢控制领域，一项革命性的技术正悄然兴起。传统上，假肢的操控依赖于植入电极来捕捉身体的信号，然而，这种方法不仅具有侵入性，还存在电极变质或移位的风险。如今，德国斯图加特的多学科研究机构QHMI正引领一场技术革新，他们开发出一种利用量子传感器来检测微小且快速的神经信号的新方法。
据国外媒体消息，近日，在假肢控制领域，一项革命性的技术正悄然兴起。传统上，假肢的操控依赖于植入电极来捕捉身体的信号，然而，这种方法不仅具有侵入性，还存在电极变质或移位的风险。如今，德国斯图加特的多学科研究机构QHMI正引领一场技术革新，他们开发出一种利用量子传感器来检测微小且快速的神经信号的新方法。
QHMI的科学家们采用了一种超灵敏的量子磁力计，这种设备无需植入体内，即可通过皮肤测量神经信号。目前，他们正在借助Spectrum Instrumentation公司的超快数字化仪（M5i.3357）和任意波形发生器（M4x.6631）来分析和优化这些信号，并致力于开发专门的应用集成电路（ASIC）和光子集成电路（PIC）以满足实际需求。
领导这项“Cluster4Future QSens”项目的斯图加特大学教授Jens Anders博士强调：“这是量子传感器在现实应用中的一次重大突破。因为在此之前，还没有其他非侵入性技术能够检测到肌肉中如此微小的磁变化，这些变化仅在10到100皮特斯拉（picoTeslas）的数量级，比地球磁场弱六个数量级。我们的测试显示，传感器足够灵敏，能够捕捉到通过皮肤传递至肌肉的神经信号。甚至在下臂肌肉等微小部位，理论上也能实现这一功能。我们正努力提高传感器对费姆托特斯拉级磁变化的灵敏度，以期在不破坏皮肤的情况下检测到大脑内部的信号。”
该技术的核心在于一种由钻石制成的光学检测磁共振（ODMR）设备，其中摻杂了氮空心（NV中心）。这些NV中心具有净电子自旋，因此表现得像微小的磁棒。当绿色激光照射时，它们会发出红色荧光信号。通过施加适当的微波磁场，这种荧光信号对外部磁场变得极为敏感，从而能够精确测量神经信号。
为了激发NV中心的自旋，科学家们使用微波发射器驱动的线圈产生所需的微波磁场。发射器的基带信号由任意波形发生器（AWG）生成，以确保载波信号的相位和振幅调制满足实验需求，从而提高信号的稳定性。随后，携带神经磁场信息的荧光信号被光电二极管捕获，经过放大、过滤和数字化处理后，用于高级信号处理。
QHMI团队选择Spectrum Instrumentation的设备有多重考量：其极高的动态范围和出色的噪声性能对于捕捉微弱信号至关重要；高速性能能够捕获与高级脉冲激励方案相关的快速信号；在性能与价格之间提供了卓越的价值；以及长达五年的保修期，确保了研究关键组件在长时间内的可靠性。
目前，量子传感器探头的大小相当于一个火柴盒，但未来有望缩小至一立方厘米左右，并集成到一个控制箱中。该控制箱的大小预计与容纳处理电子设备和电池的大型火柴盒相当。研究团队正致力于通过微电子和光子集成技术进一步缩小控制盒的体积，并延长电池寿命，目标是在单次充电后能够使用一整天。预计在未来三到四年内，采用这项技术的假肢将开始投放市场。
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