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鲍哲南:突破电子皮肤三个关键问题,未来让皮肤实现手机的功能-岩拓气凝胶

鲍哲南:突破电子皮肤三个关键问题,未来让皮肤实现手机的功能

2020年11月7日腾讯WE大会上,美国斯坦福大学工程学院教授鲍哲南介绍了她的团队研究电子皮肤所面临的问题。过去的十几年中,他们发现了柔软、可折叠甚至能够自修复的材料,在此基础上材料可以感知不同物体。最终他们希望将电子器件感知的信号通过神经传入大脑。尽管实现真正的电子皮肤还有很长的一段路要走,但他们的工作证明这道套路是可行的。她还将继续赋能人造皮肤,“让人类更加人性化”。

演讲人 | 鲍哲南(美国斯坦福大学工程学院教授)

鲍哲南:突破电子皮肤三个关键问题,未来让皮肤实现手机的功能

大家好,我是鲍哲南,美国斯坦福大学工程学院化工系系主任,K.K. Lee 教授。

首先我想问一个问题,你今天你带手机了吗?如果我们将来的生活根本没有手机会是怎样的?这是我们几年前提出的一个大胆的设想——我们认为手机的功能会融入到我们所穿的衣服、我们所贴在身上的电子器件,甚至是植入到体内的电子器件当中。这将是未来我们人和人之间、人和环境之间交流的方式。我们认为未来的电子工业将会有一个巨大的改变,通过人造皮肤一样的电子器件来实现人与人之间的沟通。这就是我们所说的“电子皮肤”的理念。

25年前,当我开始科学生涯时,我就有一个梦想:将来所有的电视屏幕都变成可折叠的。我们可以把它放在口袋里,也可以随时随地拿出来用。2018年,中国柔宇科技公司发布了一款可折叠产品。但是,可以想象在25年前,我们甚至还没有手机。当时要做成折叠的电子器件,我们还没有任何可用的材料。从那时起,我们就开始设计新的材料,去研究如何把折叠屏幕做成柔性的。经过8年的研究,我们做出了世界上第一款可以折叠的屏幕。

我一生中最美好的记忆是,当我把我的小孩抱在怀中,轻轻抚摸他柔软的小手和小脸的时候。如果妈妈不能抚摸她的孩子,或者在厨房做饭时被烫伤也没感觉,你可以想象吗?这就是戴着假肢、没有感觉的病人每天所经历的。但你可能会问,这和可折叠的屏幕又有什么关系呢?其实我们人的身体不是一条直线,是一个弯曲的形状,所以你可以想象电子皮肤也必须像人的身体一样,可以覆盖在身体上而不会束缚人的运动,同时也不能碎裂。电子皮肤在身体上的时候必须要能够工作。

我们有三个最重要的问题需要解决。第一个是所用的电子材料不能是刚硬的。因为刚硬的材料放在身体上,当身体在运动的时候,这些材料就会断裂而不能工作,所以我们必须把这些材料做成像皮肤一样柔软,像皮肤一样可以拉伸,甚至可以自修复,可以生物降解。

第二个挑战是,虽然我们有了这些材料,但是人的皮肤可以感知到压力、温度,可以感知到细腻的、不同的物体,我们需要把这些材料做成可以感受到不同物体的人造皮肤。

第三个问题是,即使这些传感器可以接收信号,就像我们的皮肤可以感受到不同的知觉,但是如果我们的大脑不能处理这些信号的话,还是没有感觉,所以人造皮肤的信号需要能够和人体结合起来。

鲍哲南:突破电子皮肤三个关键问题,未来让皮肤实现手机的功能

可伸缩半导体和晶体管丨图源:Amir Foudeh, Jie Xu, Sihong Wang of Bao Lab

我们此前16年的研究着重解决这三个最重要的问题,非常感谢我的学生们和合作者,使我们有了重大突破。首先从材料的角度来讲,我们需要通过分子的设计去得到不同的材料。我们知道分子由原子组成,当分子排列成不同的序列的时候,就带来了不同的性能,比如金属性能或者可拉伸性。有了分子的设计,然后用化学反应制作出材料,我们才能实现不同的性能。但是,如果这些分子所做成的材料是刚硬的材料,当人运动时,这些材料要么会束缚人的运动,要么化学键会断裂,电子器件就不能工作了。所以我们提出了用那些可以自己修复化学键的新型材料,即使其中的化学键断裂,它们也会自己重新修复,这样它就有了可拉伸性和自修复性,甚至可以有生物降解的性能。

这个是我们做的另外一个可以自修复性的材料。它可以被切开,化学键断开了,但当两个材料被放在一起的时候,在室温下立刻发生化学反应,化学键又重新产生。现在你可以看到它很快就恢复了它原来的性能。

通过我们此前十年的研究,现在我们已经有一系列的电子材料,从像金属一样的导电材料到半导体的材料,还有有拉伸性、自修复性的,也有可降解的材料。有了这些材料后,我们可以去开始做一些电子电路。比如说这个电子电路,它是排列成阵列型的,同时你看到红色的曲线就是它发出的电信号。

当我们去拉伸它扭曲它,甚至放在钉子上,它都可以照常工作。红色的信号几乎保持不变,说明它在正常的运作当中。

我们也需要去开发一些光化学的研究,使得我们可以把材料做成阵列型的。这样我们可以做成一个小的、新型的人造皮肤。当小虫子被放在皮肤上,材料可以检测到这个小虫的腿的位置。有了材料后,我们下一步所需要做的是将这些材料做成灵敏的传感器。它不仅需要有灵敏度,还需要可以分辨不同的外界的信号。

鲍哲南:突破电子皮肤三个关键问题,未来让皮肤实现手机的功能

触觉电子皮肤丨相关参见Wang, Xu, Bao et al. Nature, 2018

我们早期开发的一个可以测压力的传感器,形状像小金字塔,当塔尖接受到压力后,它会变形,使得电信号发生改变。压力更加大时,塔底也会变形,使得电信号的改变更大,这样我们就可以测出不同的压力。我们把这样的传感器放在机器手上,机器手去触摸红莓而不把它弄碎。

当我们闭着眼睛的时候,用手去触摸一个玩具熊,或者去触摸一个苹果,我们可以很容易分辨出来。这是因为手可以不仅能感觉到压力,而且皮肤还会变形,变形的时候就可以知道是不同的物体。所以在我们的压力传感器上,我们再加一层可以变形的薄膜,就可以测出这个形变,使得我们可以分辨出是一颗草莓还是一个苹果。

在温度传感器方面,我们设计了一种材料,当温度升高的时候,它会膨胀,膨胀之后里面的金属颗粒就分得更加远,它的导电能力就会变化。现在有了传感器,有了材料,我们最后需要做的一点,就是所接收到的信号让我们的大脑可以理解。

大脑所接受的从皮肤来的信号是电脉冲信号,因此,我们所做的人造皮肤也必须能够把传感器所得到的信号变成电脉冲信号。有了这个信号之后,我们还需要把这个电信号直接接到我们的神经,通过神经才可以传输到大脑。所以人造皮肤必须非常柔软,不能伤害到我们的神经或者大脑。现在我们已经把它植入小鼠的身内,小鼠可以正常地运动生活,证明这些人造皮肤是确实是可以和生物体系相容的。

鲍哲南:突破电子皮肤三个关键问题,未来让皮肤实现手机的功能

人造皮肤丨图源:Amir Foudeh, Alex Chortos of Bao Lab

这些人造皮肤要真正用到人的身上还需要一段时间,但是最重要的这些理念我们现在已经可以证实。经过前面这些研究,我们现在已经有一系列的材料和电子器件,使得我们可以证明人造皮肤是可以做成的。我们解决了最基本的问题,但是还有很多问题需要继续解决,继续研究。

同时,人造皮肤也给我们带来了很多意想不到的启发。比如新生儿的血压监测。婴儿出生后,或者早产的婴儿,他们非常脆弱,他的小膀子就像我的手指一样的粗细。如果要监测他的血压,需要用一个像钉子一样的针,刺进他的血管,对他会有很大的伤害,所以医生经常选择不去测这些信号。但对婴儿身体检测来说,会缺少非常重要的信息。而用人造的皮肤,现在可以做成血压计,轻轻地贴在婴儿身上,连续地监测血压。Primers是我帮助一起成立的公司,就是希望用人造皮肤去解决一些人类以前不可以解决的问题。另一个例子是锂电池,锂电池广泛应用在电动汽车上,但现在还达不到所需的功能和安全。我们发现如果用我们的自修复材料,其实可以使得这些锂电池变得更加稳定,并且可以提高储电量。这就是人造皮肤研究当中给我们带来的意想不到的一些新的发现。

鲍哲南:突破电子皮肤三个关键问题,未来让皮肤实现手机的功能

可伸缩的传感器、电路和电池将改变我们与电子设备以及彼此之间的关系

我现在可以非常有信心地说,人造皮肤将会改变我们将来的生活,可以使得我们人和人之间更多地沟通,可以使我们人和人之间互相更加理解。人造皮肤的研究也使我们学到了做研究的方式,现在我的课题组有化学家、生物学家、物理学家,也有电子工程师和机械工程师,大家并肩在一起做研究。同时,我们的研究人员来自世界各个不同的国家。我坚信只有在一个非常包容的环境下才能使我们更加有想象力,更加有创造力,让我们可以去解决世界上最难解决的科学问题。

谢谢大家。

现场采访实录

Q1:如果让您用一段简短的话,引发普通大众对您的科研话题的兴趣,您会如何介绍?

鲍哲南:如果用很简单的方式来描述我现在的研究,就是我们在研究新的材料和新的传感器,使得我们可以模仿人的皮肤的某些功能,可以改变未来电子产品的前景。简单地说,就是将手机的所有功能融入到我们所穿着的衣服或者直接贴在身上,甚至是可以植入身体内的电子器件。

Q2:未来人造电子皮肤的发展会有跨越性的意义吗?可以从一些场景上面描述,比如说,可以从生活的角度描述一下,这样观众就会很容易理解了。像是人造电子皮肤会怎么样改变我们的生活呢?

鲍哲南:就近期的研究来说,人造皮肤可以做成检测器,比如说像测血压,可以连续地直接测量,而不再需要用那个可以伸张压气的仪器,或者把针头刺入血管当中这样的方式去测量。另外,我们所做出来的具有自修复性的薄膜可以放在锂电池里面,使得电动汽车运作的时间可以更长。更长远来看,可以想象人造皮肤可以直接融入我们的身体。如果我想控制我房间内的电视开关、电灯的开关,只需要大脑去思考就行了,用意念去想的时候就可以把它打开。又或者是我在触摸一个东西的时候,人造电子皮肤就自动就可以把触摸的东西照相,可以把它照出来。

Q3:顺着您刚才的分享。电子皮肤需要材料既像皮肤一样柔软,又要有皮肤一样的触觉感知力。从技术层面上说,您觉得在研究中待解决的问题里,哪个是比较困难的?

鲍哲南:我的演讲中提到有三个最重要的问题需要解决。这三个问题当中,可能最后这个问题是我觉得需要最长的时间去解决的,就是当人造皮肤所收到的电信号,通过怎样的方式才可以和我们的大脑沟通。这个电信号能够直接跟我们的神经互相沟通,然后通过神经再传输到大脑。因为材料要直接跟人体接触,所以材料的稳定性、安全性、对人体是否有害……所有这些问题都是需要很长的时间才可以验证的。这个问题可能是三个问题的当中最长期待,也是最难解决的。

Q4:提到人造皮肤,很多人尤其是女生最先想到的可能就是“医疗美容”了。在之前的一个采访中您也提到过一种技术,是将含有药物的人造皮肤贴在皱纹处,皱纹就会消失。请问您说的这种技术是否有望能很快投入市场使用?有没有一些场景给女生描述一下,将来大家会不会都可以变得很年轻很漂亮呢?

鲍哲南:人造皮肤会不会对我们的人的美容有帮助?其实现在市场上已经有一些像人造皮肤一样贴在身脸上,放一些药物,去掉皱纹的功能了。但是如果有电子器件在人造皮肤里面的话,它可以使得这些帮助去皱纹的药物,或者让皮肤更加润滑的药物,更加有效地传输进皮肤。而且也有一些研究发现用电刺激皮肤,有可能使得皮肤可以更加的年轻,所以人造皮肤是有可能帮助美容的功效。虽然我的课题组没有在做这方面的研究,但我认为应该是可以对美容有帮助的。

Q5:演讲中您提到可拉伸、自修复材料,可以用到锂电池里,能为我们详细解释一下它的原理吗?

鲍哲南:从化学设计上,我们用了一种新的设计理念。虽然是一个固体状态的物质,但在分子层面上来说,这些分子不像一般的固体分子是不可以自由运动的。我们做的可拉伸性的固体,它的分子可以从一个地方跑到另外一个地方,因为它的化学键可以不断地打碎,又可以再次形成。有了这样一个特殊的分子结构上的特点,我们把它应用于下一代锂电池。

虽然锂金属存储的电可以非常多,但是充电和放电的时候,锂金属放在电极上的时候就会形成体积膨胀或体积收缩。膨胀和收缩会导致短路,短路之后电池就会着火。采用我们这些新型材料,把它放在锂电池的电极上,当它充电的时候可以均匀生长,如果有某些部分生长不均匀的时候,因为分子可以流动,这些分子可以使得锂的分布均匀,锂离子均匀从而就保护了这些电极,使得电极可以充放电的次数大大增加。

我们做这些材料起初的用意是做一些可以自修复的材料,但当我们做出来这些新材料之后,发现它有很奇特的功能,所以就和不同领域的其他专家讨论,看他们有哪些问题可以解决,从而发现在锂电池上有这样一个特殊的应用。

Q6:电子皮肤目前的成果有哪些已接近商业化?现在AI和机器人发展很先进,电子皮肤是否可以和机器人产业结合?未来还能有哪些应用?

鲍哲南:从传感、模拟皮肤的感受这方面来讲,当人造皮肤能感受触摸的感觉时,这些传感器能与机器人应用紧密联系起来。我们已经将人造皮肤放在机器人身上,再结合AI去解释接收到的信号是什么。但机器人相关的应用还是近期或中期的应用,更近是可穿戴或医疗器械上,无创性的连续测量血压的可穿戴手表等,这些已经开始尝试产品化。

更远期来看,人造皮肤感知和神经中枢联系起来的某些方式,未来可以应用于脑机结合。传统上,脑机接口是通过电信号和大脑连接,需要用导电的材料接到大脑。比如最近引起广泛关注马斯克的Neuralink,他们在小猪的脑子里植入了1000多个电极,这些电极下都是很细的金属针。而人的大脑像豆腐一样非常柔软,大脑在脑壳内还会随着我们的活动、呼吸而膨胀收缩,会有一些移动。如果放一根针进去,必然会对大脑有损害。所以下一代脑机接口电极需要有金属一样的导电性能,还要具备人脑的柔软性。这样的导电材料植入后才不会对大脑产生损害。这也是我们的一个研究方向。目前我们已经把柔软且导电的电极植入到小鼠脑内,已经监测了两个月,小鼠没有什么变化。

脑机结合的另外一种方式是非入侵式的,我们前不久发表的一篇文章中提到,我们可以让大脑的某一个部位受电信号的刺激,这样就有可能我们不用把电极植入脑中,放一个贴在头上或贴在胳膊上的电子器件,直接去和大脑沟通。这是另一个我们在发展的方向。

Q7:电子皮肤的供电系统是怎样的?现在有一些新的进展,比如说汗液发电,您的研究用是什么方式?

鲍哲南:供电有两种方式。电子皮肤如果只是实现传感器的功能,比如监测脉搏、血压,对于不是很复杂的功能,我们可以通过无线的方法去供电,或者在检测的时候给它供电。但如果是一个复杂的电子皮肤,要实现很多功能,甚至有显示屏,这样储电系统(电池)是不可能避免的。

现在,电池还没有发展到能像人的皮肤一样柔软,特别是在轻薄方面,目前还在研究当中,需要非常多的研究。有一些想法用太阳能或者边走路可以边发电,或者汗液作为导电质,那是电池的一部分,把汗液和其它部分结合起来有可能也可以发电。这些都是非常好的想法,但最终要实现比较复杂的应用,需要放出可控制的电量,所以能够储电的电池是不可避免的、不可缺少的。太阳光并不是一直都有,可能穿了衣服就收不到光了,所以当有光的时候,或在运动时所产生的能量,需要做到当时就被接收,但在那种情况下都是需要有电池的。所以发展柔性电池,甚至像人的皮肤一样可拉伸性的电池,我觉得是一个非常重要的发展方向。如果有这样的电池,很多消费产品就可以变得更加轻薄了。

Q8:您说到未来电子工业会发生改变,比如说以芯片为例,它目前还在以摩尔定律发展。那么电子皮肤,可折叠性的电子器件也会呈现摩尔定律那种晶体管数量翻倍增长的情况吗?

鲍哲南:您提到的摩尔发展曲线,像现在半导体的发展,它是让晶体管变得越来越小,所以芯片就可以变得越来越小。而我们的人造皮肤,我想是另外一个发展方向,并不是越来越小,但跟摩尔发展曲线相似,里面的功能越来越多。而电子皮肤和硅芯片的发展的不同点就是面积会越来越大。我们是着重于大面积的应用,不是可以在非常小的区域内放进非常多的电子器件,而是电子器件要放在非常大的面积上。如果用现在硅半导体的工艺,成本会非常高,而且很难把它做成拉伸性或者折叠性的。

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