蠶絲硬盤：數(shù)字信息和生物信息的同步存儲

2020-11-24 05:14:54

世界科學(xué) 2020年11期

中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員，2020 X-Lab前沿實驗室主任

從結(jié)繩記事到竹簡紙張，從計算機(jī)存儲到光盤刻錄，人類從未停止追求更加高效便捷的信息存儲方式，信息存儲方式的變革很大程度上也塑造著我們獲取信息和認(rèn)知世界的方式。原始社會，人們用結(jié)繩記事的方式來記錄信息；東漢時期，紙張開始被用以記錄和儲存信息；到了18世紀(jì) 20年代，錄音磁帶被發(fā)明，實現(xiàn)了模擬信號的存儲，標(biāo)示著磁性存儲時代的開始；1956年世界第一個硬盤驅(qū)動器出現(xiàn)，也就是現(xiàn)在說的機(jī)械硬盤，其存儲方式是磁頭靠著磁盤旋轉(zhuǎn)來讀寫數(shù)據(jù)。而生物技術(shù)（BT）與信息技術(shù)（IT）的交叉融合，給信息存儲帶來了新思路，各種基于生物介質(zhì)的存儲技術(shù)應(yīng)運而生，利用分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼的各類生物存儲技術(shù)相繼出現(xiàn)，如高容量DNA存儲技術(shù)。2020年，可以同時存儲數(shù)字信息和生物信息的新一代蠶絲蛋白存儲技術(shù)驚艷問世。

蠶絲，居然可以做成“硬盤”來存儲信息？

隨著科技的發(fā)展與文明的進(jìn)步，人類的活動越來越依賴于信息，因此產(chǎn)生的信息量正在呈指數(shù)級增長，信息的種類也變得紛繁多雜，并且信息存儲的條件也越來越苛刻，當(dāng)前的半導(dǎo)體存儲技術(shù)越來越難滿足日益增長的信息存儲需求。而生命科學(xué)與半導(dǎo)體技術(shù)的融合，給信息存儲帶來了新思路，我們選擇生物兼容性良好、易于摻雜功能化、降解速率可控的天然蠶絲蛋白作為信息存儲介質(zhì)，近場紅外納米光刻技術(shù)作為數(shù)字信息寫入方式，首次開發(fā)出了蠶絲存儲技術(shù)。到目前為止，團(tuán)隊已用這種技術(shù)實現(xiàn)了圖像和音頻文件準(zhǔn)確記錄、存儲和讀取的原理驗證。

蠶絲硬盤和普通硬盤有哪些不同？

一般的硬盤存儲器，例如機(jī)械硬盤，其存儲方式是磁頭靠著磁盤旋轉(zhuǎn)來讀寫數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)時，距離盤面幾納米的磁頭會利用電磁鐵，改變磁盤上磁性材料的極性來記錄數(shù)據(jù)，兩種極性分別對應(yīng)“0”或“1”。由于用到了磁性材料，因此它在強(qiáng)磁場、強(qiáng)輻射、微波輻照等環(huán)境中容易損壞，造成數(shù)據(jù)丟失。得益于蠶絲蛋白可以兼容微納加工工藝以及易于摻雜功能化等特性，結(jié)合高精度近場快速讀寫手段，我們實現(xiàn)了基于蠶絲蛋白的高容量數(shù)字/生物存儲技術(shù)（也就是所謂的“蠶絲硬盤”）。通過納米針尖將特定波長（對應(yīng)蠶絲蛋白最佳吸收率）紅外光聚焦在納米尺度下，對蠶絲蛋白進(jìn)行局部微觀操縱，蠶絲蛋白被針尖作用的微區(qū)吸收紅外能量后轉(zhuǎn)變成具有一定流動性的玻璃相，在納米探針的牽引下形成凸起的納米柱，對應(yīng)數(shù)字化“1”，未凸起的部分則對應(yīng)數(shù)字化“0”，從而達(dá)到數(shù)字信息的寫入。用同一套系統(tǒng)對蠶絲蛋白表面進(jìn)行成像則可實現(xiàn)數(shù)字信息的讀取。因此與普通硬盤不同，蠶絲硬盤直接用非磁性蠶絲蛋白材料作為存儲介質(zhì)，不會受到強(qiáng)磁場、強(qiáng)輻射、微波輻照等干擾。此外，蠶絲蛋白從某種程度上來說是一種厭水性材料，在一定納米尺度下會形成防水、防氣的致密結(jié)構(gòu)，保護(hù)包覆在其中的蛋白質(zhì)、DNA等易于損壞的活性有機(jī)分子，使其不受破壞，因此蠶絲硬盤也可以存儲人體DNA和血液樣本，實現(xiàn)生物信息存儲。

蠶絲硬盤是如何保存生物信息的？

蠶絲硬盤作為一種高容量、高可靠性的新型存儲技術(shù)，不僅可以像普通硬盤那樣存儲數(shù)字信息，還可為活性生物信息存儲提供一個功能巨大的平臺，用于采集存儲生物信息，例如同時存儲人體DNA和血液樣本。蠶絲硬盤還能按照預(yù)設(shè)的時序可控銷毀，從而用于信息保密。此外，由于蠶絲蛋白易摻雜各種功能分子進(jìn)行功能化，因而可以增加信息存儲的維度。制作蠶絲硬盤的蠶絲蛋白介質(zhì)極易摻雜各種生物分子并能長期保存它們的生物活性，所以我們可以預(yù)先把DNA和血液樣本摻入蠶絲蛋白溶液中制成蠶絲硬盤，這樣就將生物信息儲存進(jìn)去了。暢想幾百甚至幾千年后，人類要移民到外太空，到時候只需要攜帶這么一張儲存了人們數(shù)字信息和生物信息的蠶絲硬盤到外太空，數(shù)字信息可以記錄姓名、年齡、愛好等基本信息，DNA攜帶有全套的基因信息，這樣，通過這么一張小小的蠶絲硬盤就可以到外太空把人復(fù)制出來。

蠶絲硬盤的壽命和數(shù)據(jù)的安全性

蠶絲蛋白存儲器活體植入與信息可控銷毀

目前我們對蠶絲硬盤進(jìn)行了為期1.5年的實時穩(wěn)定性研究和等效6年的加速老化實驗研究（120℃，52 h），暫時尚未發(fā)現(xiàn)蠶絲硬盤出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題，因此其使用壽命究竟多長我們目前還不得而知。蠶絲硬盤作為一種非磁性的厭水性材料，本身就能耐受各種惡劣環(huán)境，包括高濕度（90 RH%）、高磁場（7 T）或強(qiáng)輻射（25 kGy）等，因此在數(shù)據(jù)存儲安全和可靠性方面我們同樣不用過多擔(dān)心。此外，蠶絲硬盤還能在預(yù)設(shè)的時間內(nèi)在體內(nèi)或環(huán)境中可控銷毀。為了提高存儲器的性能，我們一般都是要選擇特定的蠶種（譬如實驗中我們選擇的是機(jī)械性能佳、易于成膜的品種），而為了保證蠶絲器件性能的一致性，我們還會固定蠶種。未來我們可以通過減少用于信息寫入的納米針尖尺寸或減小蠶絲蛋白分子鏈長來提高蠶絲硬盤的存儲容量，進(jìn)一步結(jié)合多探針平行加工技術(shù)和快速移動平臺提高蠶絲硬盤的讀寫速率。相信隨著該技術(shù)的不斷完善，蠶絲硬盤有望成為下一代高容量、高可靠的信息存儲技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)形成良好的互補。

蠶絲的未來

蠶絲除了可以制作存儲器外，在傳感器和醫(yī)療器械方面也有十分廣闊的用途。我們在前期研究中，發(fā)現(xiàn)蠶絲蛋白是一種機(jī)械性能佳、介電損耗小的材料，并且還能兼容大部分微納加工工藝，這些性質(zhì)十分符合柔性電子器件對基底和介質(zhì)材料的要求，因此我們成功將其應(yīng)用到人體可集成的柔性傳感器中，包括能量采集器、力學(xué)傳感器、仿生視覺、腦機(jī)接口等等。蠶絲蛋白材料的研究范圍非常廣，在美容整形、骨科、神經(jīng)外科等方面都有應(yīng)用。

中國作為產(chǎn)絲和用絲大國，尤其在江浙一帶，具有豐富的桑蠶養(yǎng)殖經(jīng)驗和蠶絲來源，因此，基于天然蠶絲蛋白的醫(yī)療器械成本能得到很好的控制，且加工制作過程綠色無污染，符合國家當(dāng)前推進(jìn)綠色GDP環(huán)保型可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)業(yè)的要求。以整形科鼻假體為例，一個蠶絲蛋白鼻假體成本大約200元人民幣，而市面上性能與之類似的異體骨鼻假體售價則在2萬元左右。從中可以看出，蠶絲蛋白醫(yī)療器械的成本僅為臨床現(xiàn)有產(chǎn)品售價的1%。此外，蠶絲蛋白人造皮膚和韌帶可以用于整容方面的敷料、補片、墊片；蠶絲蛋白骨釘、骨棒等在骨科具有較好的應(yīng)用前景；蠶絲蛋白外周神經(jīng)導(dǎo)管、血管、連接片可以用在神經(jīng)外科領(lǐng)域。