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科学桥有幸采访了北京大学微电子研究院的李志宏教授。
李教授毕业于北大微电子学与固体电子学专业，之后一直从事MEMS（Microelectro Mechanical Systems微机电系统）/NEMS（Nano-Electromechanical System，纳机电系统）理论、设计和加工方面的研究，目前重点专注生物MEMS和微流控系统在生物医疗方面的应用。
受邀嘉宾简介北京大学微电子学研究院教授、北京大学信息科学技术学院医信交叉研究中心主任
担任IEEE MEMS、Transducers和IEEE Sensors等国际会议程序委员会委员；
作为项目负责人主持国家“863”、国家自然科学基金等科研项目10余项；
在MEMS领域顶级国际学术会议上发表论文200余篇，其中SCI文章100余篇；
做国际会议邀请报告10余次；
申请和授权专利24项（授权16项）。
背景介绍我们来简单介绍下MEMS，全称Micro Electromechanical System，微机电系统。而这种高科技装置，整体尺寸是在几毫米乃至更小。其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、致动器（执行器）和微能源三大部分组成。简单理解就是利用传统的半导体工艺和材料，用微纳加工技术在芯片上制造微型机械，并将其与对应电路集成为一个整体的技术。下面的图是放大后的MEMS与一根头发丝的对比，大家可以有个更直观的感受。
图片来源网络 放大后的MEMS结构与一根头发丝（0.05毫米 ）大小对比
采访内容Q：提起MEMS，大众可能都没什么概念。因为这毕竟不是生活中经常能接触到的词语。李教授您能用通俗的语言解释下MEMS吗？以及它在我们生活中尤其是生物医疗方面的应用？
李志宏： MEMS与我们的生活息息相关，最被大家所熟知的就是你每天都用到的手机，智能手环，汽车，以及一些可穿戴系统，都会用到MEMS相关技术。MEMS就是微机电系统，是在微电子芯片基础上发展起来的，可以被认为是一种特殊的微电子芯片。微电子芯片是处理各种电子信息。包括现在的医疗设备、医疗诊断相关的仪器，都会用到电子设备来做一些信息处理和控制。所以从这个意义上来说的话，所有的高端的医疗设备，比如影像设备也好，分析仪器也好，都是离不开微电子芯片的。所以说，微电子芯片在医疗方面的应用是个非常大的领域。
具体说到我现在的研究方向，我是一直从事MEMS的研究和应用，这个可以算是微电子的一个分支，它其实是用微电子芯片的技术，做的一些不是处理电信息的芯片，而是处理一些物理或者化学的一些信息的芯片。比如温度、压力、速度、力这些物理信息，或者是不同化学成分，不同生物分子甚至细胞组织的一些信息。
应用到生物信息方面的MEMS，我们就定义为生物MEMS，生物MEMS也是跟医疗息息相关的。这里还要提到另外一个概念——微流控，就是用芯片来处理液体，它可以在芯片上形成一些泵、阀，让液体在一个小的芯片里面流动。因为微机电系统最大的特点就是微小，所以整个系统需要的液体的容量非常非常小，小到微升、纳升甚至皮升这么少。这样的话，它只需要一滴血或者是很少量的溶液，进行整个生化分析。分析的整个过程，从预处理，到放大、扩增到最后信息检测，都可以在一个芯片完成，所以又称之为芯片实验室。芯片实验室应该算是微流控比较大的一个应用。简单来说，所谓微流控，就是在一个很小的体积上去处理流体的信息。微流控主要的一个方向就是用在生化分析，或者说医疗，所以它是跟医疗相关性很高。微流控与生物MEMS高度相关，在概念和应用上也有交叉。
Q：您所说的MEMS是有点像把电流转化成一个芯片的处理的信息吗？
李志宏：它其实是把一些别的信息转化成电信号，比如电流或电压，再通过电信号，用芯片来处理。比如外来的速度或者压力，作用在一个小的微型机械系统上，转化成电阻或者电压的变化，你可以通过这些变化，间接的知道外边的力有多大。如果物体发生了化学变化，比如结合了新的化学分子，它就会有一个电阻或者电容的变化，甚至是直接产生电流，或者生物分子产生电流，这样一个电的信号，通过芯片处理，可以区别出这种变化。比如；你的血液里某种离子的含量，或者你血液里是不是含有某些病毒抗原抗体，或者你的DNA是不是发生了突变，都可以通过化学反应来间接的把它变成电信号或者是光信号，再通过芯片进行处理。
Q：MEMS在医疗中具体应用到哪些方面？
李志宏：MEMS应用在一些小的医疗设备，比如POCT（point-of-care testing）即时检测系统，原本你需要去医院依赖于大型仪器才能实现的生化检测，有了MEMS技术，就可以实现在家使用小型便捷型仪器进行血糖检测或者血液的生化检测。
比如现在大家所熟知的DNA测序的设备，其中也会用到MEMS技术。
再比如你现在去医院做的一些病理切片等活检。如果有了MEMS的技术，你只需要把唾液、尿液中提取到一部分来用微流控系统检测，可以代替活检。
另外MEMS应用的比较接近大众生活的，可能就是可穿戴设备、可植入芯片。
可穿戴设备应用：像一些慢性病或者老年群体，他需要有一个可以实时监控的设备来实时监测自己的健康信息，他不可能每天都跑到医院监测，所以这个时候需要一些可穿戴的，不影响他生活的一些设备，像腕表或者手环。现在市面上已经有这样一些可穿戴设备用到MEMS的一些技术，比如手环中可以有加速度计和压力传感器，可以达到实时监测。但是这类产品现在其实做的还不够，需要有一些舒适性更高的产品，可以直接贴在你的皮肤上，检测你的心电、脑电波这样一些信息。
可植入设备应用：比如为盲人设计的人造视网膜，为耳聋障碍人群设计的人工耳蜗。或者对高位截瘫人群，给肌肉刺激，也可以用微电极去刺激。
微针：
在定点给药，或者通过皮肤给药的时候，会用到微针。也是现在我从事的比较多的一个领域，用MEMS技术形成的微针可以贴在皮肤上，由于它很细，所以使用者并不会感觉到疼痛。
Q：微针给药的方式？
李志宏：微针用于给药有几种途径：
一种是直接把药物固定在微针里面，微针作为一种载体，可以选择水溶性，自身有一定强度的材质。这样，药物溶解在微针这种介质中，通过一种膏药样的东西贴在你的皮肤表面，这样，把外层物质取下来以后，微针会溶解于你的体液，药物直接进入到你的皮下。
一种是将微针做成中空的材质，就像我们使用的注射器针头一样。我们会把微针做的很细，做成一排排带孔的针，因为它很细，所以注射进去并没有痛感，可以定时定点给药。
一种是带电流的微针，因为有些药物给到细胞间质是没有用的，这时你可能额外需要电流，促进细胞膜的通透性，从而帮助药物进入细胞中。这种操作是不会损伤细胞的，因为它不是通过物理的机械损伤来打开细胞通透性，而是通过电流或者电压改变细胞膜的通透性，就等于在细胞膜表面形成一些纳米的孔洞，可以促使药物大分子进入，撤掉电刺激后，细胞可以自行恢复，细胞膜会重新闭合，所以细胞的活力并不会发生改变。当然，这个操作仪器对电流和电压的控制要十分精确，电流过大或者电压过高，都会损伤细胞，所以需要经过试验不断的优化。
Q： 李教授，为什么你会选择MEMS在生物这个方向的应用？
李志宏：我是97年博士毕业后就开始做MEMS，最开始做的是一些物理的器件，比如加速度计陀螺，以及微机电系统在汽车、手机里面的应用。后来2000年去了美国做访问学者之后，那个时候国外已经开始兴起生物研究热潮，而且生物跟人体健康生命联系起来，比较有意义，也有很多有意思的点去研究。
就我本人来说，是从中学开始就很喜欢生物学，等于是重新捡起自己的爱好，且将自己的爱好结合了所学的专业--生物和电子结合起来，做自己喜欢和擅长的事情。
非常感谢李志宏教授百忙之中接受科学桥的采访。同时也祝愿李教授在科研上取得更多的研究成果来造福人类。
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