現有的心臟起搏器、胰島素泵等植入設備大多各自獨立運行。為了讓這些設備能夠相互協同工作，喬治亞理工學院
的一個研究團隊開發出一套新型網路系統，該系統不依靠天線和無線電波，而是通過人體組織本身來傳輸信號。
無線電方案存在的問題
目前能夠實現通信的植入設備大多依賴藍牙低功耗（BLE）或近場通信（NFC）等無線電協議。喬治亞理工學院工程師、該研究論文合著者艾力克斯·艾布拉姆森表示，這兩種技術都不太適合用於體內數據傳輸。
首先是功耗問題。艾布拉姆森說：「如果想讓植入設備保持激活狀態，以便能在幾毫秒內做出響應，使用藍牙系統很難實現這一點。」論文中提到，藍牙組件在激活時，可能會使植入設備的電池壽命縮短最多90%。
第二個問題是無線電波在人體中傳播效果不佳。艾布拉姆森說：「藍牙和近場通信信號在組織中會受到相當大的衰減。」他指出，如果信號需要穿過超過一厘米的組織，植入設備之間的無線電通信系統就會遇到嚴重的信號衰減問題。此外還有尺寸限制。無線電通信需要天線，而商用藍牙組件要求設備寬度至少達到五毫米。厚度小於三毫米的植入設備可以在門診通過注射器植入，而更大的設備通常需要手術植入。
艾布拉姆森團隊提出的解決方案名為SWANS（智能無線自主網路系統），其設計靈感來源於人體自身的內部通信網路。艾布拉姆森說：「神經系統能夠從全身各處接收大量輸入資訊，整合這些數據，並做出具體的決策。我們的系統正是模仿了這一機制。」SWANS依靠離子傳導來工作，這與神經元的通信方式類似，神經元通過在細胞膜內外輸送鈉離子和鉀離子來產生電壓差，從而實現信號傳遞。艾布拉姆森說：「不同的是，我們不使用神經，而是利用普通的人體組織來傳遞這些信號。」
命名呼應機制
這一思路並非完全創新。美國食品藥品監督管理局（FDA）已批准的一款名為Abilify MyCite的藥片，就利用離子傳導技術向皮膚貼片發送「藥片已被吞服」的信號。但這類系統通常只能連接兩個設備，而艾布拉姆森團隊希望SWANS能夠連接更多設備。
SWANS系統的第一個組成部分是一個可穿戴主控設備。它是一塊柔性電路板，能夠讀取傳感器數據、運行決策算法，並發出最高可達12伏的電壓脈衝。第二個組成部分是一組不鏽鋼微針貼片，用於將這些脈衝信號傳遞到體內，繞過皮膚最外層導電性較差的部分。第三個組成部分則是一個由注射式植入設備組成的網路，每個植入設備都配備兩個接收墊片、一個電晶體開關、一塊電池，以及一個傳感器或執行器（例如神經刺激器）。
艾布拉姆森說：「我們把所有的智能功能都集中在了可穿戴主控設備上。」由於可穿戴設備擁有更大的空間和更強的電池供電能力，因此植入設備可以保持體積小巧、結構簡單。當主控設備發出脈衝信號時，會產生一個短暫的電場，並向各個方向在組織中擴散。處於信號範圍內的每個植入設備都能接收到這個信號，但只有特定的植入設備會做出反應，這有點像在擁擠的房間裡，只有聽到自己名字的人才會轉過頭來。
研究團隊通過設計讓每個植入設備的電晶體開關只在接收到的脈衝信號達到特定閾值時才會導通，從而實現了這一效果。在電晶體前方加入電阻可以提高開關導通所需的電壓；加入電容則要求脈衝信號必須持續足夠長的時間才能將其充滿。通過組合搭配這些元件，研究團隊製造出了只對特定強度和持續時間組合的脈衝信號做出響應的植入設備。論文作者也承認，這意味著電壓閾值需要根據每個人的身體情況和植入位置進行單獨調整。
由於SWANS植入設備由被動元件構成，在待命監聽狀態下幾乎不消耗電量，使其電池續航時間比藍牙和NFC方案延長超過15倍。一個包含電池的完整植入設備尺寸為3毫米×1.1毫米×17毫米，可以通過6號規格的針頭進行注射植入。
為了測試該系統，艾布拉姆森和同事們分別在雞胸肉、帶皮帶骨的豬腹肉以及活體大鼠身上進行了實驗。
腿部抽動實驗
艾布拉姆森說：「豬腹肉是一種非常厚實且組成不均勻的組織。」信號需要穿過脂肪、肌肉、骨骼和皮膚。實驗中，單次10伏電壓脈衝在組織中產生的可檢測電壓梯度範圍超過30厘米，深度可達14厘米，覆蓋範圍是藍牙或NFC的10倍以上。
在活體大鼠實驗中，信號成功到達了皮下、腹腔內，甚至胃部的植入設備。設備放置位置的影響也不大。艾布拉姆森說：「我們把可穿戴設備放在大鼠的腹部，結果卻能在大鼠的背部觸發植入設備的動作。」
實驗中最複雜的一項，是將應變傳感器安裝在大鼠的前肢上。當傳感器檢測到左前肢或右前肢移動時，主控設備會向身體發送特定於該肢體的脈衝信號，信號傳遞到對應後肢的植入設備，刺激坐骨神經，從而使該後肢發生抽動。研究團隊還構建了一種植入設備間的信號中繼系統：一個配備溫度傳感器的設備只有在檢測到體溫超過40攝氏度（104華氏度）的發熱狀態時，才會將信號傳遞給第二個植入設備。
艾布拉姆森指出，心臟起搏器和神經刺激器已經在使用類似的電壓和脈衝時長，因此研究團隊預計不會出現重大的安全問題。在一項為期兩個月的大鼠實驗中，植入設備周圍長出了厚度達一毫米的瘢痕組織，但通過在安全範圍內提高電壓，研究團隊保持了通信功能的持續運行。這些脈衝信號沒有刺激目標神經以外的其他神經，沒有改變心臟的電活動，而且造成的細胞死亡或氧化應激程度，並不比未通電的針頭和植入設備更高。
不過，SWANS並不是一個萬能的體內通信系統，而且它可能永遠都不會是。
植入設備的多路復用
SWANS的第一個局限在於其數據傳輸能力有限。艾布拉姆森說：「我們不希望利用這些設備傳輸大量數據，因為我們的目標是打造超小型、超低功耗的系統。」他指出，SWANS的設計初衷是在身體各部位之間傳遞關鍵資訊（比如體溫讀數），而非承擔更多功能。此外，該系統目前尚未在大型動物或人體上進行測試，不過艾布拉姆森表示，初步的大型動物研究結果已經顯示出良好的前景。他也已經開始思考該技術未來的潛在應用。
艾布拉姆森說：「目前，神經刺激和藥物遞送是兩套完全獨立的系統。」他指出，如今患者無法將藥物輸送泵與神經刺激器連接起來以實現聯合治療，儘管在癲癇等疾病的治療中，在特定時間給藥確實能帶來益處。
艾布拉姆森認為，SWANS的優勢在於它可以很方便地與現有的植入設備集成。他說：「這種新的通信協議可以接入到以往的任何系統中。」「由於它與具體使用的傳感器或執行器完全無關，我們將能夠構建出一整套完整的體內治療網路。」
論文發表於《科學》（Science）雜誌，2026年，DOI：10.1126/science.adz5300
Q&A
Q1：SWANS系統是什麼？
A：SWANS（智能無線自主網路系統）是喬治亞理工學院研發的一種體內植入設備通信系統，它利用人體組織進行離子傳導來傳遞信號，而不依賴傳統的藍牙或近場通信等無線電技術。
Q2：SWANS系統相比藍牙和NFC有哪些優勢？
A：SWANS的信號覆蓋範圍更廣，可穿透超過30厘米的組織、深達14厘米，是藍牙或NFC的10倍以上；同時由於使用被動元件，待命時幾乎不耗電，電池壽命比藍牙和NFC方案延長超過15倍，且設備體積更小，可通過注射器植入。
Q3：SWANS系統目前存在哪些局限？
A：SWANS傳輸數據量有限，只適合傳遞關鍵資訊如溫度讀數等，不適合大量數據傳輸；該系統目前尚未在大型動物或人類身上完成測試，電壓閾值也需要針對不同身體和植入位置進行單獨調校。
