本文作者：陳敏蘭(lan) （飛秒激光從(cong) 業(ye) 者）

腦機接口，brain-computer interface，英文縮寫(xie) BCI。

從(cong) 詞語結構，可以看出有兩(liang) 個(ge) 主體(ti) ：大腦、計算機。而接口，可以理解為(wei) 大腦和計算機技術的交互。比如，癱瘓的病人利用該項技術，可以通過意念去操控機械手臂，從(cong) 而實現倒水、打字等本身無法完成的動作。

腦機接口技術是一項前沿、熱門的研究領域，在生物醫療、腦科學研究、航空航天等領域具有重要的價(jia) 值。

而電極是腦機接口的重要組成，是腦機接口技術實現的關(guan) 鍵部件，是連接電子設備和生物神經係統的傳(chuan) 感器，是溝通大腦和電腦的橋梁與(yu) 紐帶。因此，破解微納尺度的腦電極加工奧秘，是打開腦機接口技術的月光寶盒。

1、腦機接口電極有哪些？

（1）從(cong) 接觸方式或程度來看，可以分為(wei) ：非侵入式、半侵入式和侵入式。

非侵式，是指通過頭皮穿戴設備記錄大腦的神經活動。常見的有腦電圖（EEG）、腦磁圖（MEG）等。其優(you) 點是成本較低，沒有創傷(shang) 風險，缺點是所能采集的信息量有限，有點類似於(yu) 單機操作。

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

侵入式，是指通過外科手術將微電極陣列植入大腦內(nei) 部，如皮層或皮層下方，實時記錄大腦神經群體(ti) 活動信號。這是腦機接口技術中最能直接獲取大腦內(nei) 部信息的方式，其信號質量高、精度佳。

從(cong) 這一分類方式可以推斷，腦機接口所使用的電極，其製造尺寸較小、厚度較薄，此外，這一微型電極的加工端麵需平整光滑，否則很容易在植入後讓身體(ti) 產(chan) 生排異反應。而小尺寸，薄料的減材加工，正是飛秒激光所擅長的，它利用高峰值功率和短脈衝(chong) 寬度特點，可實現高精度、無毛刺的精密加工。飛秒激光，是當前微納加工的一項重要加工技術。

（2）從(cong) 電極材料和特性來看，可以分為(wei) ：剛性電極、柔性電極。

剛性電極：在過去的腦機接口電極的製造中，主要是以鎢、金、合金等剛性材料和半導體(ti) 材料為(wei) 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，組裝過程複雜，難以精確控製剛性電極對準，這也會(hui) 對生物組織與(yu) 電極之間信號傳(chuan) 輸的質量和效率產(chan) 生影響。

柔性電極：柔性有機材料，不僅(jin) 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電極的生物相容性和機械柔順性，擴大了神經電極界麵材料的選擇範圍。柔性電極主要有薄膜電極、微絲(si) 電極等。

從(cong) 這一角度可以看到，腦機接口電極對於(yu) 材料的拓展性是比較強的，其中可能會(hui) 涉及很多傳(chuan) 統加工工藝較難實現的精細加工，如高分子薄膜等熱敏性材料。飛秒激光的核心優(you) 勢，是對材料的無限製性，同時具有極小的熱影響，因此可以很好解決(jue) 未來柔性電極更多材料的探索。

2、微電極的製造技術有哪些？

據說目前主流的有兩(liang) 種，一種是微絲(si) 電極，一種是半導體(ti) 襯底的矽電極。

那麽(me) 他們(men) 是怎麽(me) 製造得到的呢？

微機電係統（MEMS）技術，可用於(yu) 高密度電極陣列加工，其原理是在矽晶圓或柔性聚合物基底上，旋塗光刻膠，通過掩膜版進行紫外曝光，將電極的微觀圖形轉移到基片上。該技術目前已被部分醫療企業(ye) 應用，如階梯醫療將啟動建設醫療級MEMS（微機電係統）電極加工平台，重點解決(jue) 癱瘓、失語等疾病患者的臨(lin) 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(chan) 線初期投入成本大，此外，產(chan) 線所需的工作環境要求也比較高，運營維護成本大。

飛秒激光作為(wei) 一種無材料限製性，且精度遠高於(yu) 傳(chuan) 統加工工藝的柔性製造技術，為(wei) 腦機電極的精密加工帶來更多的“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，均有可能應用於(yu) 腦機電極的製造。如：

（1）微孔：飛秒激光對於(yu) 材料具有無限製的特點，因此對於(yu) 腦電極材料的多層疊加結構，也可以加工微米級微孔，深徑比10:1內(nei) ，可匹配電氣互連設計的需求。

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

（3）切割：飛秒激光在切割方麵，可以保證切割斷麵光滑無毛刺，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、良好的切割質量。

3、飛秒激光有哪些優(you) 勢？

與(yu) MEMS相比，飛秒激光加工似乎更適合腦機接口電極的設計和研發工作，因為(wei) 其具有如下特點：

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

（2）飛秒激光可加工任意固體(ti) 材料，無材料限製性，如傳(chuan) 統的剛性電極材料金、鎢等，還有半導體(ti) 材料矽，以及各種柔性聚合物，均可以加工。

4、結語

腦機接口技術為(wei) 何可以引起大家的關(guan) 注？

一方麵是其發展和我們(men) 的醫療健康息息相關(guan) ，另一方麵是其應用範圍很廣，將來或許可以應用於(yu) 國防軍(jun) 事、娛樂(le) 、教育等生活的方方麵麵。

因此，了解電極的加工技術，做好電極的研發工作，才能穩紮穩打，不斷推動腦機接口技術的落地。