清華新聞網9月18日電 一體化存儲設備（MSDs），如micro-SD卡、USB閃存驅動器和多媒體MMC卡等，因其小巧、高性能、可靠性和易用性，廣泛用于各類電子設備和系統中。由于損壞、故障或故意刪除，常常導致MSDs中一些關鍵或敏感數據丟失。因此，如何從MSDs中恢復出這些數據，成為犯罪調查、法庭鑒定和商業(yè)領域的重大需求。但是，從一體化存儲設備的芯片中恢復丟失的數據一直是法庭科學和數據恢復技術領域面臨的難題和挑戰(zhàn)。傳統方法通常需要人工去除絕緣層以訪問設備的印刷電路板（PCB），這種方法不僅耗時，還可能損傷關鍵存儲部件，對數據恢復產生不利影響。此外，雖然有研究者提出使用micro-CT成像作為一種檢測方法，但該方法成像時間長、具有輻射損傷，更重要的是X射線可能在存儲的數據中引入不可修復的比特錯誤。
為了解決上述問題，近日，清華大學物理系薛平課題組和公安部鑒定中心張寧科研團隊等合作，成功研發(fā)了一種一體化存儲芯片手術機器人技術，巧妙融合了機器人智能、光學相干層析（OCT）和激光刻蝕消融（laser ablation）等技術，首次實現了對存儲芯片的“診療一體化”。該技術有望替代傳統電子數據取證方法，極大提升了電子數據檢驗的效率和智能化、自動化水平；同時還有望遷移到許多其他領域，如臨床手術、微電子加工、文物修復等。相關研究成果近日以“機器人光學相干層析成像導航下的一體化存儲芯片的檢測和微創(chuàng)手術”（Robotic-OCT guided inspection and microsurgery of monolithic storage devices）為題在線發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communication）上。
圖1.連續(xù)掃描Robotic-OCT系統的示意圖。（a）Robotic-OCT系統的照片。（b）Robotic-OCT掃描儀的示意圖。（c）機械臂的掃描軌跡以及兩個相鄰的連續(xù)掃描區(qū)域。（d）兩個相鄰區(qū)域的OCTen face圖像。（e）覆蓋整個micro-SD卡區(qū)域的融合圖像
OCT通過光學相干原理可以實現對生物組織的高分辨三維快速層析成像，在生物醫(yī)學領域有很多重要的應用。合作團隊將這類高分辨斷層成像的光學技術推廣到電子取證領域。相比于有輻射的X射線成像技術，OCT使用低功率的近紅外光，避免了對操作員、設備或存儲數據的潛在危害。同時，由于傳統OCT系統受限于二維振鏡的掃描，難以同時實現大范圍和高分辨率成像，加之MSD結構內的高反射表面可能導致OCT信號的飽和偽影，從而妨礙對底層結構的可視化，因此，合作團隊結合使用機器人智能技術，研制出六軸高精度的OCT成像系統（如圖1所示）；并提出一種連續(xù)掃描策略，利用機器人的智能掃描來替代傳統OCT掃描成像中的振鏡慢軸；通過自動優(yōu)化掃描角度和持續(xù)掃描，實現了對micro-SD卡的高速、高分辨率的三維成像檢測（如圖2所示）。該方法相比于傳統停止-凝視掃描模式，速度提升了一個數量級以上。利用上述的新型Robotic-OCT系統，合作團隊對不同類型的micro-SD卡進行的三維成像，實現了不需要去除表面絕緣漆情況下的電路逆向工程、通孔識別、管腳定位等功能，并且可以診斷不同損壞類型的micro-SD卡，自動分析劃痕深度、燒傷程度和折痕損壞區(qū)域等。
圖2.micro-SD卡多層結構的層析分析。3D OCT圖像（a）從上到下的視角和（b）橫截面視圖。（c）micro-SD卡多層結構的示意圖。（d）三個不同深度的OCT en face圖像。頂部：表面（深度=0微米）。中部：PCB引腳側（深度=23微米）。底部：PCB芯片側（深度=273微米）。（e）在（d）中標記為黃色矩形的兩個不同位置P1和P2的平均一線掃描信號
圖3.micro-SD卡的Robotic-OCT引導激光消融微創(chuàng)手術。（a）Card 8的顯微圖像及成像區(qū)域（紅框）。（b）圖（a）中紅框所示區(qū)域的OCT en face圖像。（c）子圖到全圖配準的結果。（d）技術引腳的識別和測量。（e）激光消融微創(chuàng)手術后的微型SD卡，只暴露了相關的引腳。（f）通過將暴露的引腳連接到數據恢復系統，直接從內部閃存中訪問數據
此外，受到醫(yī)療領域診療一體化理念的啟發(fā)，研究團隊將激光消融設備光學共路集成于Robotic-OCT系統中，構成一體化存儲芯片手術機器人。在OCT三維圖像的引導下，有選擇性地精準移除芯片絕緣層的目標區(qū)域，僅暴露相關的數據恢復管腳（如圖3所示），最大限度地減少了對設備的損害，并簡化了焊接過程，大大提高了數據恢復效率。《自然·通訊》的審稿專家認為，該文章提出了一種創(chuàng)新性的系統和方法，并展示了該系統在快速成像、缺陷檢測、引腳識別和針對目標區(qū)域的激光消融方面的能力，該技術有望顛覆傳統電子數據取證方法，實現數據恢復效率前所未有的提升。
光學成像與機器人智能技術的結合不僅為數據恢復提供了更有效、更安全的方式，在其他各種不同的領域中也有很好的應用前景。例如，在臨床領域，新型Robotic-OCT引導的激光消融技術可以在手術過程中精準實時地識別腫瘤邊界，外科醫(yī)生可以準確地定位并移除癌癥組織，以實現對周圍健康組織的損傷降至最低。本研究將該技術進一步拓展，未來在電子物證、失效分析、材料測試和質量控制等更廣泛領域均有很好的應用價值。值得一提的是，在微電子領域，這種新技術可以實現三維、快速、精準、選擇性地去除芯片中的表層材料，繼而提升優(yōu)化芯片電路性能，有望在復雜集成電路的制造中發(fā)揮重要作用。
清華大學物理系2019級博士生何濱、實習生張煜欣（現香港大學博士生）和公安部鑒定中心趙露為該文章的共同第一作者。薛平與張寧為該論文的共同通訊作者。該研究得到北京市科技新星計劃、國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學基金的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41498-x
供稿：物理系
題圖設計：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
