现有的心脏起搏器、胰岛素泵等植入设备大多各自独立运行。为了让这些设备能够相互协同工作，佐治亚理工学院的一个研究团队开发出一套新型网络系统，该系统不依靠天线和无线电波，而是通过人体组织本身来传输信号。
无线电方案存在的问题
目前能够实现通信的植入设备大多依赖蓝牙低功耗（BLE）或近场通信（NFC）等无线电协议。佐治亚理工学院工程师、该研究论文合著者亚历克斯·艾布拉姆森表示，这两种技术都不太适合用于体内数据传输。
首先是功耗问题。艾布拉姆森说：“如果想让植入设备保持激活状态，以便能在几毫秒内做出响应，使用蓝牙系统很难实现这一点。”论文中提到，蓝牙组件在激活时，可能会使植入设备的电池寿命缩短最多90%。
第二个问题是无线电波在人体中传播效果不佳。艾布拉姆森说：“蓝牙和近场通信信号在组织中会受到相当大的衰减。”他指出，如果信号需要穿过超过一厘米的组织，植入设备之间的无线电通信系统就会遇到严重的信号衰减问题。此外还有尺寸限制。无线电通信需要天线，而商用蓝牙组件要求设备宽度至少达到五毫米。厚度小于三毫米的植入设备可以在门诊通过注射器植入，而更大的设备通常需要手术植入。
艾布拉姆森团队提出的解决方案名为SWANS（智能无线自主网络系统），其设计灵感来源于人体自身的内部通信网络。艾布拉姆森说：“神经系统能够从全身各处接收大量输入信息，整合这些数据，并做出具体的决策。我们的系统正是模仿了这一机制。”SWANS依靠离子传导来工作，这与神经元的通信方式类似，神经元通过在细胞膜内外输送钠离子和钾离子来产生电压差，从而实现信号传递。艾布拉姆森说：“不同的是，我们不使用神经，而是利用普通的人体组织来传递这些信号。”
命名呼应机制
这一思路并非完全创新。美国食品药品监督管理局（FDA）已批准的一款名为Abilify MyCite的药片，就利用离子传导技术向皮肤贴片发送“药片已被吞服”的信号。但这类系统通常只能连接两个设备，而艾布拉姆森团队希望SWANS能够连接更多设备。
SWANS系统的第一个组成部分是一个可穿戴主控设备。它是一块柔性电路板，能够读取传感器数据、运行决策算法，并发出最高可达12伏的电压脉冲。第二个组成部分是一组不锈钢微针贴片，用于将这些脉冲信号传递到体内，绕过皮肤最外层导电性较差的部分。第三个组成部分则是一个由注射式植入设备组成的网络，每个植入设备都配备两个接收垫片、一个晶体管开关、一块电池，以及一个传感器或执行器（例如神经刺激器）。
艾布拉姆森说：“我们把所有的智能功能都集中在了可穿戴主控设备上。”由于可穿戴设备拥有更大的空间和更强的电池供电能力，因此植入设备可以保持体积小巧、结构简单。当主控设备发出脉冲信号时，会产生一个短暂的电场，并向各个方向在组织中扩散。处于信号范围内的每个植入设备都能接收到这个信号，但只有特定的植入设备会做出反应，这有点像在拥挤的房间里，只有听到自己名字的人才会转过头来。
研究团队通过设计让每个植入设备的晶体管开关只在接收到的脉冲信号达到特定阈值时才会导通，从而实现了这一效果。在晶体管前方加入电阻可以提高开关导通所需的电压；加入电容则要求脉冲信号必须持续足够长的时间才能将其充满。通过组合搭配这些元件，研究团队制造出了只对特定强度和持续时间组合的脉冲信号做出响应的植入设备。论文作者也承认，这意味着电压阈值需要根据每个人的身体情况和植入位置进行单独调整。
由于SWANS植入设备由被动元件构成，在待命监听状态下几乎不消耗电量，使其电池续航时间比蓝牙和NFC方案延长超过15倍。一个包含电池的完整植入设备尺寸为3毫米×1.1毫米×17毫米，可以通过6号规格的针头进行注射植入。
为了测试该系统，艾布拉姆森和同事们分别在鸡胸肉、带皮带骨的猪腹肉以及活体大鼠身上进行了实验。
腿部抽动实验
艾布拉姆森说：“猪腹肉是一种非常厚实且组成不均匀的组织。”信号需要穿过脂肪、肌肉、骨骼和皮肤。实验中，单次10伏电压脉冲在组织中产生的可检测电压梯度范围超过30厘米，深度可达14厘米，覆盖范围是蓝牙或NFC的10倍以上。
在活体大鼠实验中，信号成功到达了皮下、腹腔内，甚至胃部的植入设备。设备放置位置的影响也不大。艾布拉姆森说：“我们把可穿戴设备放在大鼠的腹部，结果却能在大鼠的背部触发植入设备的动作。”
实验中最复杂的一项，是将应变传感器安装在大鼠的前肢上。当传感器检测到左前肢或右前肢移动时，主控设备会向身体发送特定于该肢体的脉冲信号，信号传递到对应后肢的植入设备，刺激坐骨神经，从而使该后肢发生抽动。研究团队还构建了一种植入设备间的信号中继系统：一个配备温度传感器的设备只有在检测到体温超过40摄氏度（104华氏度）的发热状态时，才会将信号传递给第二个植入设备。
艾布拉姆森指出，心脏起搏器和神经刺激器已经在使用类似的电压和脉冲时长，因此研究团队预计不会出现重大的安全问题。在一项为期两个月的大鼠实验中，植入设备周围长出了厚度达一毫米的瘢痕组织，但通过在安全范围内提高电压，研究团队保持了通信功能的持续运行。这些脉冲信号没有刺激目标神经以外的其他神经，没有改变心脏的电活动，而且造成的细胞死亡或氧化应激程度，并不比未通电的针头和植入设备更高。
不过，SWANS并不是一个万能的体内通信系统，而且它可能永远都不会是。
植入设备的多路复用
SWANS的第一个局限在于其数据传输能力有限。艾布拉姆森说：“我们不希望利用这些设备传输大量数据，因为我们的目标是打造超小型、超低功耗的系统。”他指出，SWANS的设计初衷是在身体各部位之间传递关键信息（比如体温读数），而非承担更多功能。此外，该系统目前尚未在大型动物或人体上进行测试，不过艾布拉姆森表示，初步的大型动物研究结果已经显示出良好的前景。他也已经开始思考该技术未来的潜在应用。
艾布拉姆森说：“目前，神经刺激和药物递送是两套完全独立的系统。”他指出，如今患者无法将药物输送泵与神经刺激器连接起来以实现联合治疗，尽管在癫痫等疾病的治疗中，在特定时间给药确实能带来益处。
艾布拉姆森认为，SWANS的优势在于它可以很方便地与现有的植入设备集成。他说：“这种新的通信协议可以接入到以往的任何系统中。”“由于它与具体使用的传感器或执行器完全无关，我们将能够构建出一整套完整的体内治疗网络。”
论文发表于《科学》（Science）杂志，2026年，DOI：10.1126/science.adz5300
Q&A
Q1：SWANS系统是什么？
A：SWANS（智能无线自主网络系统）是佐治亚理工学院研发的一种体内植入设备通信系统，它利用人体组织进行离子传导来传递信号，而不依赖传统的蓝牙或近场通信等无线电技术。
Q2：SWANS系统相比蓝牙和NFC有哪些优势？
A：SWANS的信号覆盖范围更广，可穿透超过30厘米的组织、深达14厘米，是蓝牙或NFC的10倍以上；同时由于使用被动元件，待命时几乎不耗电，电池寿命比蓝牙和NFC方案延长超过15倍，且设备体积更小，可通过注射器植入。
Q3：SWANS系统目前存在哪些局限？
A：SWANS传输数据量有限，只适合传递关键信息如温度读数等，不适合大量数据传输；该系统目前尚未在大型动物或人类身上完成测试，电压阈值也需要针对不同身体和植入位置进行单独调校。