本文作者：陳敏蘭（飛秒激光從業者）
腦機接口，brain-computer interface，英文縮寫BCI。
從詞語結構，可以看出有兩個主體：大腦、計算機。而接口，可以理解為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鍵部件，是連接電子設備和生物神經系統的傳感器，是溝通大腦和電腦的橋梁與紐帶。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）從接觸方式或程度來看，可以分為：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。其優點是成本較低，沒有創傷風險，缺點是所能采集的信息量有限，有點類似于單機操作。
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部，如皮層或皮層下方，實時記錄大腦神經群體活動信號。這是腦機接口技術中最能直接獲取大腦內部信息的方式，其信號質量高、精度佳。
從這一分類方式可以推斷，腦機接口所使用的電極，其制造尺寸較小、厚度較薄，此外，這一微型電極的加工端面需平整光滑，否則很容易在植入后讓身體產生排異反應。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沖寬度特點，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）從電極材料和特性來看，可以分為：剛性電極、柔性電極。
剛性電極：在過去的腦機接口電極的制造中，主要是以鎢、金、合金等剛性材料和半導體材料為主。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，組裝過程復雜，難以精確控制剛性電極對準，這也會對生物組織與電極之間信號傳輸的質量和效率產生影響。
柔性電極：柔性有機材料，不僅可以保證電氣性能，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，擴大了神經電極界面材料的選擇范圍。柔性電極主要有薄膜電極、微絲電極等。
從這一角度可以看到，腦機接口電極對于材料的拓展性是比較強的，其中可能會涉及很多傳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。飛秒激光的核心優勢，是對材料的無限制性，同時具有極小的熱影響，因此可以很好解決未來柔性電極更多材料的探索。
2、微電極的制造技術有哪些？
據說目前主流的有兩種，一種是微絲電極，一種是半導體襯底的硅電極。
那么他們是怎么制造得到的呢？
微機電系統（MEMS）技術，可用于高密度電極陣列加工，其原理是在硅晶圓或柔性聚合物基底上，旋涂光刻膠，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應用，如階梯醫療將啟動建設醫療級MEMS（微機電系統）電極加工平臺，重點解決癱瘓、失語等疾病患者的臨床難題。
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、產線初期投入成本大，此外，產線所需的工作環境要求也比較高，運營維護成本大。
飛秒激光作為一種無材料限制性，且精度遠高于傳統加工工藝的柔性制造技術，為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，均有可能應用于腦機電極的制造。如：
（1）微孔：飛秒激光對于材料具有無限制的特點，因此對于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，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：飛秒激光在切割方面，可以保證切割斷面光滑無毛刺，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、飛秒激光有哪些優勢？
與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材料，無材料限制性，如傳統的剛性電極材料金、鎢等，還有半導體材料硅，以及各種柔性聚合物，均可以加工。
4、結語
腦機接口技術為何可以引起大家的關注？
一方面是其發展和我們的醫療健康息息相關，另一方面是其應用范圍很廣，將來或許可以應用于國防軍事、娛樂、教育等生活的方方面面。
因此，了解電極的加工技術，做好電極的研發工作，才能穩扎穩打，不斷推動腦機接口技術的落地。
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