一灘墨漬為2019年IEEE榮譽(yù)勛章獲得者庫爾特?彼得森開啟了終生研究微型裝置的大門。
1975年,庫爾特?彼得森(Kurt Petersen)還是一名年輕聰明的研究員,當(dāng)時(shí)他剛拿到麻省理工學(xué)院電氣工程專業(yè)的博士學(xué)位,在位于美國加州的IBM阿爾瑪?shù)茄芯?a target="_blank">中心工作。他是該中心光學(xué)研究小組的一員。不過,他時(shí)常覺得很無聊,有一天,他漫步于巨大的建筑群中,然后發(fā)現(xiàn)了一條普普通通的走廊的油氈瓦上有一大塊黑色污漬。就是這灘污漬改變了他的生活和整個(gè)行業(yè)。
為了找到污漬來源(他也是閑來無事),彼得森走進(jìn)了最近的實(shí)驗(yàn)室。最后他發(fā)現(xiàn),這塊污漬是由溢出的墨水形成的。這是一家研發(fā)噴墨打印機(jī)噴嘴的實(shí)驗(yàn)室,研發(fā)過程中需要在硅材料上打孔。
在硅材料上打孔?彼得森從未聽說過,但他想起了之前看過的一則有關(guān)硅基微型加速器的廣告。突然間,一個(gè)更大的場(chǎng)景浮現(xiàn)在他的腦海中:人們實(shí)際上正在制造微型機(jī)械配件,各種部件只有幾微米,都是用硅材料制成的。今天,我們將這類裝置稱為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。彼得森也想制造MEMS。
于是,他開啟了全新的職業(yè)道路——專攻MEMS技術(shù),包括現(xiàn)在用來掃描美國境內(nèi)所有郵寄信件以防炭疽病菌的裝置,并創(chuàng)建了MEMS企業(yè)。正是因?yàn)樵谶@方面作出的貢獻(xiàn),彼得森在2019年獲得了IEEE榮譽(yù)勛章。
發(fā)現(xiàn)那灘墨漬后不久,彼得森開始閱讀他能找到的所有有關(guān)使用硅材料制造微型機(jī)械裝置的資料,包括各類期刊雜志,如《IEEE電子器件會(huì)刊》(IEEE Transactions on Electron Devices)、《應(yīng)用物理學(xué)快報(bào)》(Applied Physics Letters)和《電化學(xué)會(huì)會(huì)雜志》(Journal of the Electrochemical Society)。當(dāng)時(shí)這類裝置還沒有具體的名稱,市場(chǎng)上也只有幾種MEMS產(chǎn)品。他發(fā)現(xiàn)“世界各地有很多人已經(jīng)用硅制成了不同的機(jī)械裝置,但是還沒有形成相關(guān)群體。研究這類裝置的大部分人相互之間并不了解?!?/p>
而后彼得森開始著手制造他的第一個(gè)裝置??粗@微鏡下的那些噴墨打印機(jī)噴嘴,他說道:“如果有缺陷,我一眼就可以看到。顯微鏡下有一些微小、獨(dú)立且非常細(xì)的二氧化硅柱。我就想,這些微小的機(jī)械結(jié)構(gòu)也許可以四處移動(dòng)。它們也許能讓光轉(zhuǎn)向,我可以做一個(gè)調(diào)光器。”他的研發(fā)過程與今天MEMS的制造過程類似,首先在外延硅犧牲層上鋪一層二氧化硅,然后將犧牲層蝕刻掉。最后只剩下二氧化硅懸臂,頂部是薄金屬層。
他花了3個(gè)月時(shí)間制造出好幾個(gè)微型調(diào)節(jié)器,每個(gè)調(diào)節(jié)器長(zhǎng)約100微米,厚約0.5微米。他將這些調(diào)節(jié)器帶到配有IBM掃描電子顯微鏡的實(shí)驗(yàn)室,那里的一位技術(shù)人員幫他安好了電線,然后他給這些裝置接通了電源,觀察它們的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。
“她都著迷了?!北说蒙貞浀?,“她說從未見過在顯微鏡下運(yùn)行的裝置?!?/p>
后來,彼得森又花了5年時(shí)間,利用硅材料制造了盡可能多的各種微型機(jī)械裝置,包括加速器和電子開關(guān)。他離開光學(xué)研究小組,進(jìn)入了一家特別定制實(shí)驗(yàn)室,只能容納他和一名實(shí)習(xí)生。
根據(jù)對(duì)文獻(xiàn)的深入研究和自己所做的工作,彼得森撰寫了一份關(guān)于新興技術(shù)的內(nèi)部報(bào)告?!昂芏鄼C(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)IBM而言可能都有價(jià)值?!彼f,比如光學(xué)和機(jī)械磁盤驅(qū)動(dòng)器的讀寫頭以及更復(fù)雜的噴墨打印機(jī)噴嘴,但是IBM并不感興趣。
彼得森很失望,但他也意識(shí)到,這類裝置不屬于IBM的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。于是他修改了報(bào)告,刪除了IBM專有信息,并將其提交給了《IEEE會(huì)報(bào)》,足足占滿了整個(gè)會(huì)報(bào)的50頁版面。文章題為《作為機(jī)械材料的硅》(Silicon as a Mechanical Material),成為了1982年5月的封面文章,使MEMS確立為一個(gè)單獨(dú)的技術(shù)分支。
這篇論文涉及的內(nèi)容很全面,對(duì)集成電路材料的機(jī)械性能以及將這類材料蝕刻成相應(yīng)形狀和結(jié)構(gòu)的各種方式都進(jìn)行了論述?!拔恼聦?duì)未來可能出現(xiàn)的事物進(jìn)行了推斷,例如深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE),這項(xiàng)技術(shù)為該領(lǐng)域帶來了徹底變革?!彼f,“即便是在今天,也有很多人對(duì)我說,正是那篇文章使他們對(duì)MEMS產(chǎn)生了濃厚興趣?!?/p>
“讀研究生時(shí)我們就都讀過這篇文章?!爆F(xiàn)任斯坦福國際研究院首席技術(shù)官的格雷格?科瓦奇(Greg Kovacs)說,該研究院位于美國加州門洛帕克?!八贛EMS領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。他所完成的工作比開創(chuàng)這一領(lǐng)域更為重要,他推動(dòng)了這一領(lǐng)域的發(fā)展。于我而言,他是一位超級(jí)英雄?!?/p>
《IEEE會(huì)報(bào)》論文一經(jīng)發(fā)表,彼得森就被邀請(qǐng)到世界各地的會(huì)議上發(fā)言,而且研究員紛紛來阿爾瑪?shù)窍胍欢米髡咦鹑荨!斑M(jìn)行各種瘋狂研究的人都會(huì)以某種方式與我取得聯(lián)系,比如微流體低溫致冷器的研究人員。”他說。他似乎在一夜之間變成了MEMS技術(shù)掌門人。
這一領(lǐng)域在20世紀(jì)80年代一直穩(wěn)步發(fā)展。彼得森的論文發(fā)表時(shí),全球約有三四十個(gè)人在研究這項(xiàng)技術(shù)。到1990年,他估計(jì)研究這項(xiàng)技術(shù)的人約有600名。市場(chǎng)上出現(xiàn)了用于一次性血壓監(jiān)測(cè)儀和新型燃油控制化油器的壓力傳感器。航天工業(yè)中也開始采用基于MEMS的加速器。第一個(gè)微型機(jī)械噴墨打印機(jī)打印噴頭進(jìn)入量產(chǎn)。當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了很多創(chuàng)業(yè)公司,它們渴望與這項(xiàng)技術(shù)一起發(fā)展。彼得森說,1987年美國國家科學(xué)基金會(huì)研討會(huì)對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了正式命名。
不出所料,有幾家公司聯(lián)系了彼得森。最后他接受了邀請(qǐng),于1982年與吉姆?克紐蒂(Jim Knutti)聯(lián)合創(chuàng)建了Transensory Devices公司,進(jìn)行MEMS裝置的研發(fā)與制造。
他回憶說,放棄企業(yè)內(nèi)穩(wěn)定的研究工作讓他感覺“緊張不安”。他有兩個(gè)年幼的兒子,因此經(jīng)濟(jì)保障很重要。約100萬美元的創(chuàng)業(yè)資金最后來自外州的石油投資商,而非硅谷投資商?!爱?dāng)時(shí)硅谷也有一些創(chuàng)業(yè)公司,但完全不是今天這個(gè)樣子。那時(shí)候籌資是件很困難的事情?!彼f。
他們的團(tuán)隊(duì)后來搬到了加州費(fèi)利蒙市一個(gè)280平方米的實(shí)驗(yàn)室,并建造了一些自己的設(shè)備,包括用于封裝和保護(hù)硅晶圓的晶片鍵合設(shè)備。他們與大公司簽訂合同,為其生產(chǎn)樣品,包括彼得森在IBM制作的那種調(diào)光器。同時(shí),他們開始研發(fā)自己的MEMS裝置。
“我們當(dāng)時(shí)論證了很多裝置,”彼得森說,“但是都沒有投入生產(chǎn)?!庇幸淮?,用于卡車運(yùn)輸業(yè)的一種胎壓傳感器幾近成功,但與他們合作的那位主管人員卻去世了。彼得森認(rèn)為,正是由于自己和克紐蒂都缺乏制造經(jīng)驗(yàn),他們的研究成果才沒有能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。
合同制生產(chǎn)使Transensory公司運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),但是彼得森仍希望將自己的MEMS裝置推向市場(chǎng)。他認(rèn)為是時(shí)候成立第二家公司了。
在1985年,彼得森與詹科斯基?布瑞澤克(Janusz Bryzek)和約瑟夫?馬龍(Joseph Mallon)一起創(chuàng)建了NovaSensor公司,500萬美元的啟動(dòng)資金來自油田服務(wù)巨頭斯倫貝謝。布瑞澤克之前與人合辦過兩家研發(fā)MEMS壓力傳感器的公司。“詹科斯基和他的合伙人擁有生產(chǎn)和制造經(jīng)驗(yàn)”,而這正是Transensory公司所缺少的,彼得森說。
NovaSensor成立后開始制造3種壓力傳感器:一種用于航空航天業(yè),另有一種用于石油工業(yè),還有一種是未針對(duì)特定市場(chǎng)的高溫壓力傳感器。事實(shí)證明,最后一種取得了最大的成功,甚至航天飛機(jī)的輪胎中都采用了這種壓力傳感器?!拔覀儼l(fā)現(xiàn)了一種運(yùn)用MEMS工藝將電阻器與基質(zhì)隔離的方法。我們將單晶硅片粘合在帶有壓力傳感器膜片的氧化硅片上,然后將上部硅片的大部分蝕刻掉,只保留電阻器?!北说蒙f。他認(rèn)為此款傳感器是首款硅晶絕緣體設(shè)備,這種設(shè)備從那以后得到了普遍運(yùn)用。
1991年,盧卡斯工業(yè)有限公司收購了NovaSensor,此舉使彼得森躋身“MEMS百萬富翁”之列。NovaSensor公司的生產(chǎn)線現(xiàn)在由安費(fèi)諾公司銷售。
隨后的幾年內(nèi),彼得森所持股權(quán)份額繼續(xù)增加。其間,他專注于融熔接合,這一過程需要對(duì)兩個(gè)不同模式的晶片進(jìn)行蝕刻,然后將二者連接在一起。這一工藝可以制造非常復(fù)雜的裝置,例如陀螺儀。他的名片上就一直印有采用該工藝制成的第一批設(shè)備的照片。
MEMS先生的微機(jī)電系統(tǒng)
庫爾特●彼得森及其公司制造的微機(jī)電裝置包括(前頁圖片左上方起順時(shí)針方向)采用硅熱鍵合技術(shù)制成的導(dǎo)管端壓力傳感器,大約在1990年由Nova-Sensor公司制造;互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體/MEMS集成加速器,在IBM研究中心制成;采用深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制成的原型微流體結(jié)構(gòu),大約在1993年由NovaSensor制造;質(zhì)量流量傳感器熱橋元件,大約在1984年由Transen- sory Devices公 司制造;采用單晶硅制成的簧片結(jié)構(gòu),大約1993年在No- vaSensor公司內(nèi)展示。
1995年彼得森離開NovaSensor時(shí),MEMS壓力傳感器已在多種系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,包括潛水設(shè)備和暖通控制系統(tǒng),MEMS加速器則剛開始用于汽車安全氣囊中的碰撞感知系統(tǒng)。
彼得森離開NovaSensor公司時(shí)未作任何安排。勞倫斯?利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的一名研究員阿倫?諾思拉普(Allen Northrup)曾向他建議,MEMS裝置可大大加快聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR),PCR是一種相對(duì)較新的復(fù)制DNA序列的方法。彼得森妻子的朋友、從事生物技術(shù)領(lǐng)域工作的比爾?麥克米倫(Bill McMillan)確認(rèn)了PCR的發(fā)展前景。隨后,彼得森開始著手?jǐn)M定一項(xiàng)降低PCR機(jī)械體積和成本的計(jì)劃,目標(biāo)是制造出醫(yī)生在辦公室內(nèi)就能使用的手持設(shè)備。
他和麥克米倫在帕洛阿爾托的白玉蘭咖啡廳共進(jìn)午餐。“我給他大概介紹了一下我的想法,他就開始在紙質(zhì)餐墊上描繪商業(yè)計(jì)劃?!北说蒙f。他至今仍保存著那個(gè)餐墊。
彼得森1982年發(fā)表的論文中就暗示了深反應(yīng)離子刻蝕的可能性,與傳統(tǒng)的芯片生產(chǎn)流程相比,這一技術(shù)能夠在硅材料中刻出更深的孔洞和凹槽。他開始將深反應(yīng)離子刻蝕應(yīng)用在微流體芯片中,將微量液體送入精確的通道內(nèi)。
“我們當(dāng)時(shí)有個(gè)想法,可以利用MEMS技術(shù)和微流體快速加熱和冷卻樣品,以制成體積小但響應(yīng)快的PCR設(shè)備,讓醫(yī)生可以在辦公室內(nèi)用它進(jìn)行診斷?!北说蒙f。
為實(shí)現(xiàn)技術(shù)的商業(yè)化,彼得森在1996年與他人共同創(chuàng)辦了Cepheid公司,并從勞倫斯?利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室獲得了基礎(chǔ)技術(shù)的許可。到1997年,該公司已從美國國防部籌得320萬美元資金,國防部希望該公司能夠研發(fā)出生物武器探測(cè)器。Cepheid公司研發(fā)的第一個(gè)設(shè)備叫Smart Cycler,它采用MEMS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了幾微升液體的快速加熱和冷卻,同時(shí)利用熒光傳感器監(jiān)測(cè)反應(yīng)的進(jìn)度。它不是手持設(shè)備,但這并不是問題。更重要的是,它使PCR過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。
Cepheid公司的第二個(gè)產(chǎn)品是GeneXpert,旨在進(jìn)一步簡(jiǎn)化PCR。它可以自動(dòng)從生物樣本中提取DNA,然后添加測(cè)試所需的試劑。
該公司于2000年上市,當(dāng)時(shí)正值科技泡沫破滅。在市場(chǎng)萎縮前,“我們是最后一批成功IPO的公司之一。”彼得森說。
通過公開發(fā)售股票,該公司獲得了足夠的資金,團(tuán)隊(duì)將Smart Cycler投入生產(chǎn)。2001年夏季接近尾聲時(shí),該公司已經(jīng)完成80套設(shè)備的發(fā)貨。在2001年12月第一臺(tái)樣機(jī)產(chǎn)生后,GeneXpert的研發(fā)工作仍在逐步推進(jìn)。
后來美國發(fā)生了炭疽恐怖襲擊事件。2001年9月下旬和10月,攜帶炭疽孢子的信件被郵寄給了美國新聞媒體和美國參議院成員,最終導(dǎo)致20多人感染,5人喪生。
當(dāng)時(shí),Cepheid公司已經(jīng)確定其技術(shù)能夠快速檢測(cè)炭疽細(xì)菌,于是一夜成名。“我們和桑賈伊?古普塔( Sanjay Gupta)博士一起通過《早安美國》節(jié)目和美國有線電視新聞網(wǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)PCR試驗(yàn)。”彼得森回憶道。
美國郵政部門擔(dān)心未來再出現(xiàn)信件攜帶的生物襲擊,于是邀請(qǐng)所有掌握生物傳感器技術(shù)的公司展示其產(chǎn)品。Cepheid公司的裝置于2001年12月通過測(cè)試?!爱?dāng)時(shí)運(yùn)行完美。,”彼得森說。
經(jīng)過幾個(gè)月的額外測(cè)試,該公司與諾斯羅普格魯曼公司合作研發(fā)了PCR生物傳感器,該傳感器可以輕松地與郵件分揀機(jī)連接。這款產(chǎn)品于2003年推向市場(chǎng),今天,美國的所有信件仍然要通過Cepheid機(jī)器進(jìn)行炭疽篩查,彼得森說?,F(xiàn)在,該公司的系統(tǒng)主要用于鏈球菌、諾瓦克病毒、流感、衣原體等相關(guān)的醫(yī)療診斷。該公司所銷售的經(jīng)美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)且適用于Cepheid機(jī)器的測(cè)試超過20項(xiàng)。
到了2003年,彼得森已經(jīng)做好了開啟事業(yè)新篇章的準(zhǔn)備。這次,他想開發(fā)硅質(zhì)諧振器,這種設(shè)備能夠產(chǎn)生恒定頻率,可用于精確定時(shí)?!霸贗BM的時(shí)候我就制造了部分第一批MEMS諧振器,但不是很理想。它們無法與石英晶體振蕩器媲美。”他說。
湯姆?肯尼(Tom Kenny)、馬庫斯?魯茨(Markus Lutz)和亞倫?帕特里奇(Aaron Partridge)3位研究員提出了更好的方案?!八麄儾捎脝尉Ч柚圃熘C振器,這是世界上最完美的材料?!北说蒙f,“多晶材料受到壓力時(shí)會(huì)在晶界處產(chǎn)生微小的移位。隨時(shí)間的推移,即便只有一兩個(gè)原子產(chǎn)生位移,也會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能發(fā)生變化?!倍鴨尉Ч璨粫?huì)隨時(shí)間發(fā)生改變,但是其諧振頻率會(huì)隨溫度的變化而變化,因此,難點(diǎn)在于如何解決其溫度依賴性的問題。
彼得森、肯尼、魯茨、帕特里奇及喬?布朗(Joe Brown,彼得森在IBM的同事,曾與他在Transensory 和NovaSensor兩家公司共事過)又一次在白玉蘭咖啡廳共餐,再次在紙質(zhì)餐墊上起草了一份商業(yè)計(jì)劃。羅伯特?博世股份有限公司擁有部分核心知識(shí)產(chǎn)權(quán),因此除了吸引投資者以外,彼得森還必須說服博世公司在德國的高管,以獲得技術(shù)許可。
“在斯圖加特,我與他們的董事會(huì)召開了一次大型會(huì)議?!彼f,“我告訴他們,‘我做的事就是這些。我創(chuàng)辦了公司,我們公司的設(shè)備負(fù)責(zé)全美國所有信件的炭疽篩查?!麄兊亩聲?huì)不僅同意了技術(shù)許可,還對(duì)我們公司進(jìn)行了重大投資?!?/p>
新公司SiTime成立于2004年12月,目標(biāo)是將定時(shí)行業(yè)所用的數(shù)十億美元的材料從石英變?yōu)楣?。該公司的首批諧振器于2007年交貨。今天,該公司的MEMS振蕩器被廣泛用于移動(dòng)設(shè)備及其他電子儀器的定時(shí)系統(tǒng)。
2008年,正當(dāng)SiTime經(jīng)營良好的時(shí)候,彼得森在Cepheid公司的合伙人之一麥克米倫向他提出了另一個(gè)創(chuàng)業(yè)想法:研發(fā)一種可植入式連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀?!叭藗円呀?jīng)為之努力了30年,但是沒有人獲得成功?!北说蒙f。一旦傳感器植入身體內(nèi)部,“身體就會(huì)使用膠原將其隔離,最終阻止血糖接觸傳感器?!彼忉屨f。
因此,麥克米倫與杜克大學(xué)的研究員納塔利?維斯尼斯基(Natalie Wisniewski)合作,并提出了一種解決方案:使用結(jié)構(gòu)化水凝膠來避免異物反應(yīng),并采用熒光讀數(shù)的方式測(cè)量血糖濃度。彼得森利用之前所學(xué)的光學(xué)知識(shí)為該產(chǎn)品的開發(fā)提供了幫助,并在創(chuàng)業(yè)公司Profusa呆了一年。這家公司現(xiàn)在約有30名員工,資金總額為1億美元。
彼得森說,經(jīng)營這家公司將成為他的最后一份全職工作?!拔抑皇遣幌肜^續(xù)處理公司的日常業(yè)務(wù)。我開始進(jìn)行天使投資,這更有意思。”
他也無法抗拒再建一個(gè)團(tuán)隊(duì)的誘惑。伯克利分校的兩名學(xué)生開發(fā)了MEMS諧振器相關(guān)技術(shù),但是一直苦于無法實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化。彼得森和K.G. 加納帕蒂(K.G. Ganapathi)加入了這兩名學(xué)生的公司,之后,該公司改名為Verreon,彼得森擔(dān)任公司的首席技術(shù)官,幫助協(xié)調(diào)該公司2010年針對(duì)高通的銷售業(yè)務(wù)。
這是彼得森第三次擔(dān)任首席技術(shù)官或類似職務(wù)。在他所有的創(chuàng)業(yè)公司中,他只在SiTime公司擔(dān)任過首席執(zhí)行官?!霸贜ovaSensor公司時(shí),其他兩個(gè)人想做董事長(zhǎng)。”該公司的營銷顧問羅杰?格雷斯(Roger Grace)說,“庫爾特并不在乎,他擔(dān)任了首席技術(shù)官。他不是個(gè)自以為是的人?!?/p>
“在MEMS領(lǐng)域,人們都對(duì)庫爾特稱贊有加,他非常和藹、體貼、樂于助人?!备窭姿拐f,“聰明的人很多,但他是獨(dú)一無二的,他很謙遜。與他相處,你會(huì)感到輕松自在?!?/p>
加納帕蒂也很贊成:“像庫爾特一樣成功且深受大家喜愛的人很少見?!?/p>
目前,彼得森又回到了天使投資的大業(yè)中,他的投資目標(biāo)是MEMS公司、醫(yī)療器械和生物技術(shù)領(lǐng)域。他說他投資的公司約有70家,其中近一半都取得了成功,投資回報(bào)率為350%,這一紀(jì)錄很出色,因?yàn)樽罱囊豁?xiàng)研究表明,一般而言,投資范圍較廣的長(zhǎng)期天使投資人的投資回報(bào)率是250%。
“他仿佛有種神秘的力量,能夠察覺出有發(fā)展前景的產(chǎn)品。一種產(chǎn)品需要3年或15年才能取得成功,但是他在這方面有著敏銳的嗅覺?!奔蛹{帕蒂說。
2012年,彼得森加入了硅谷天使投資幫,這是一家邀請(qǐng)制組織,約有200名投資人,他們會(huì)定期會(huì)面,了解和分享信息。現(xiàn)在,他是該組織硬件分部的負(fù)責(zé)人。同時(shí),他還是兩家公司的董事,并在其他幾十家公司擔(dān)任顧問。他每天會(huì)與數(shù)名前來咨詢的人會(huì)面,并與加拿大及美國東部沿海地區(qū)的公司電話聯(lián)系。
彼得森今年已經(jīng)71歲,但他并沒有要退休的意思?!捌髽I(yè)家們富有活力、充滿干勁并且雄心勃勃,與他們打交道是一件樂事?!彼f。
作者:Tekla S. Perry
審核編輯:黃飛
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