可注射微芯片用来追踪动物健康

CATHERINE FALLS/GETTY IMAGES

This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series（https://spectrum.ieee.org/collections/journal-watch/） in partnership with IEEE Xplore.

在世界各地，许多宠物和工作动物都被植入了微芯片。这是一个简单的过程：将一个带有识别号的微型应答器封装在一个米粒大小的圆柱体中，并注射到皮肤下，这样，即使动物丢失了，也可以用来识别它。

但电子芯片所能做的远不止保存身份证号码。如果我们能追踪到丢失动物的位置呢？在医疗程序后监测狗的心率？追踪畜牧场牛和小牛的呼吸频率？

根据2月22日发表在《IEEE传感器杂志》上的一项新研究（https://ieeexplore.ieee.org/document/10443849/authors - authors），可注射活动和健康跟踪传感器（https://spectrum.ieee.org/tag/sensors）确实是可行的，它们可以为兽医、农民、动物研究人员以及工作动物和宠物的主人提供新的知识和安全措施。

北卡罗来纳州立大学的一个团队使用现成的材料创建了他们所说的“最先进的多模式和微创注射传感器系统，用于动物无线监测它们的一些生理指标和活动模式”。

在这项研究中，植入物提供了心率、呼吸频率、运动和温度的实时测量数据，以及在未来工作中跟踪血压和血氧饱和度的能力。

美国国家科学基金会集成传感器和技术高级自供电系统中心（ASSIST Center）以及北卡罗来纳州立大学的互联传感器系统研究所（IConS）联合主任Alper Bozkurt说：“研究人员在研究中使用已经存在的植入式设备来跟踪动物，但它们很麻烦：你需要将动物麻醉，并进行手术来植入这种更大的设备。那么我们想到，为什么不使用一种更简单、更便宜的方法，比如在几乎每个兽医诊所都能够进行的微芯片植入？”

Bozkurt将这种注射剂与人类用来追踪活动和基本生命统计数据的智能手表进行了比较。

6-Gauge Needle中的健康跟踪器

Bozkurt和他的同事Parvez Ahmmed和James Reynolds部分使用商用芯片系统创建了该设备。他们的可注射芯片系统包括多个生理传感器、前端电路、带无线无线电系统的微控制器、蓝牙低能耗功能（https://spectrum.ieee.org/teenytiny-bluetooth-transmitter-runs-on-less-than-1-milliwatt）和可充电电池。

这些传感器利用了几种不同的模式：心电图传感器测量心率；惯性测量单元跟踪运动和呼吸速率；温度计显示温度。（研究人员计划在未来的工作中通过已经成为该系统一部分的多波长光电体积描记传感器来演示血压和血氧饱和度跟踪。）

研究人员将芯片系统封装在生物医学（https://spectrum.ieee.org/topic/biomedical/）环氧树脂和生物相容性合成聚合物中进行绝缘，然后在尖端添加导电环氧树脂作为电极。这适用于6号手术针头，他们用这些针头将芯片系统注射到麻醉大鼠和自由移动的大鼠体内。

微芯片可以将传感器的数据发送到3米范围内的远程接收器，电池可以在两次充电之间持续两到三个月。心率和呼吸频率测量值在现有黄金标准的范围内。

该团队用生物医学环氧树脂和合成聚合物层设计了该系统，因此该设备可以提取并重复使用。Ahmed说：“假设我们用它来治疗动物，一两个月后，我们可以溶解外层聚合物层，给电池充电，然后再次将其封装以生产另一种植入物。”

更小包装中的生物识别

展望未来，该团队得出结论，他们需要构建自己的专用集成电路（ASIC），以将可注射系统从6号针头（约4毫米）缩小到目前用于传统微芯片的12号或15号针头（1.4–2.2毫米）。（他们还使用新型陶瓷打印工艺对3D打印电极进行了实验。）

Reynolds说：“你总是想设计出与现有技术非常相似的东西：与普通微芯片相同的技能、程序和外观。但这种尺寸是一个非常小的直径，所以这是一个相当大的技术挑战。”

尽管面临挑战，该团队还是成功地创建了一个更小的无电池版本的系统，这在3月4日发表在《IEEE生物医学电路与系统汇刊》上的一篇论文中有详细介绍（https://ieeexplore.ieee.org/document/10458893）。

Reynolds指出，这种注射剂有几种农业应用：心率的急剧上升可以提醒农民注意牲畜可能因骨折而产生的疼痛，而其他生命体征可以阻止疾病在牲畜中传播。他指出，兽医研究人员还可以使用该设备监测濒危物种，因为他们无法对这些物种进行手术植入大型跟踪器。

国际工作犬登记处（International Working Dog Registry，https://www.iwdr.org/）的联合创始人Jane Russenberger表示，工作动物和宠物也可以从中受益。这是一个在线登记处，工作犬主人可以在这里添加、编辑和查看电子存储的记录。

Russenberger说，来自注射物的数据“可以进行分析，以帮助预测狗在特定类型的工作或与特定类型的驯犬员一起时所能成功的可能性”。她补充道，这其中包括被评估收养的宠物，出售给政府机构用于检测工作的动物，以及测试培训班、社会化和其他丰富活动对宠物的影响。

从宠物饲养到兽医研究和实践，进而到农业和工作动物，都有潜在的应用。Bozkurt希望将这一系统推广到市场，并表示业界对此很感兴趣。

Bozkurt说：“虽然我不能分享公司的名字，但我可以确认有很多公司对此感兴趣。有很多面向不同用户的应用，尤其是动物科学家告诉我们 —— 我们早就想要一个了。”