斯坦福教授鮑哲南:人造皮膚能把手機貼在身上

斯坦福教授鮑哲南:人造皮膚能把手機貼在身上

11月7日,化學家、斯坦福大學化學工程系系主任鮑哲南在2020年“騰訊科學周”期間接受本站科技等媒體的採訪。

鮑哲南被譽爲人造皮膚領域的“材料大師”,她帶來了關於“電子皮膚”的大膽設想。“我們將用如人的皮膚一樣的電子器件,讓人和人之間溝通,人與環境之間交流。”

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她講解了人造皮膚的設計理念與實踐過程,雖然目前人造皮膚還未真正用到人的身上,但這個理念已經被證實,並帶來了許多意想不到的新啓發,“用人造皮膚,現在可以做成連續的、測量血壓的,輕輕貼在小嬰兒身上這樣的血壓計。”

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她在接受採訪中表示在未來的世界,當我們可以真的用電子皮膚感受到周圍或感受到某個人的時候,就有可能測出這個人的情緒是怎麼樣的。人與人之間的距離將會越來越近。

1、您曾經說過做研究的時候想要make human more human,我們普通人應該怎麼理解這句話,您在研究人造皮膚的時候又是怎麼把握“像人與超過人之間”的關係?

鮑哲南:人造皮膚的概念等於一個電子器件,它可以向人的皮膚一樣感知、測試,可以讓我們知道感覺。所以想象在未來的世界,當我們真的可以用電子皮膚感受到周圍或感受到這個人的時候,我們就有可能測出這個人的情緒是怎麼樣的。

我希望我的家人知道我現在是開心還是沮喪,如果我想讓我的家人知道,他們不需要聽我講話就可以感受到。或者我和朋友一起去吃飯,在餐館裏聞到很香的味道,那電子皮膚也可以感受到,通過電子方式傳輸,遙遠的家人也能感受到。所以這就是我們所講的讓人和人之間的距離拉近。

從研究中,我們一方面是思考哪些東西我們可以去學習,比如觸覺,能夠觸覺到各種不一樣、不同的物體,不需要看到就很細膩地分辨出來。去做這些電子器件時,攝像頭能做得非常好。做人造皮膚時,可以把我們的想象力和創造力結合起來,手觸摸的同時可以照相,或者同時把具體的物體放大,或者通過嗅覺聞到水果,或者水果上有細菌,也可以檢測到水果沒有洗乾淨,這些都是我們可以想象的,都是可以把它結合到人造皮膚上的。

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2、從電子紙到電子皮膚,這二者的區別只是應用方面嗎,是否在技術上其實差不多,如果不一樣的話,有什麼突破?

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鮑哲南:電子紙只是一個顯示屏幕,是可彎曲型的,但是皮膚是可以感知,而且可以和我們人體神經中樞溝通的。同時電子皮膚不僅是柔軟的,而且是具有彈性的,它可以拉伸,可以自己修復,而且還有生物降解性。

所以人造皮膚或者我們講人造電子皮膚,是我們對未來電子工業發展大趨勢的設想,就是未來我們所用的電子器件不再是我們現在使用的,硬的、易碎的,而是像皮膚一樣柔軟;如果壞了、有劃痕,它自己可以修復;用完之後,舊的一代要淘汰了,它又可以自己生物降解,這樣就不會引起環境問題。這是我們所設想的未來電子器件發展的一個方向。

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3、您能否講一講電子皮膚目前的成果,有哪些可以接近商業化?現在AI和機器人發展很先進,您的電子皮膚是否可以和機器人產業結合?目前是否有已經合作的?

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鮑哲南:人造皮膚的研究有三個主要方面,其中有些是近期的應用,還有些是遠期的應用。

首先是從傳感、模擬皮膚的感受來說,當它能感受觸摸的時,這些傳感器就可以和機器人的應用緊密結合起來。我們已經開始把人造皮膚放在機器人身上,再和AI結合,去了解所收到的信號意味着什麼。

機器人的應用是近期或者中期的應用,更加近期的是有這方面的傳感器在可穿戴或醫療機械上,比如能夠擁有觸覺的傳感器,可以用來測量血壓,無創性的連續測血壓的可穿戴手錶或可穿戴在身上的一些產品,已經開始做成產品,驗證之後就可以在市場上用。

更加遠期一些的話,這些感知和神經中樞所聯繫起來的方式,可以是用來腦機結合,就如果是用來治療某些現在無法治癒的疾病,讓它變成應用會更快一些。

用人造皮膚來做腦機結合,它的好處是,人的皮膚或者是皮膚形貌的電子器件不會對神經產生傷害,因爲它不是用金屬的針跟神經接觸,所以這會使信號獲得更加準確,且同時不會造成傷害。

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4、您的研究曾經提到過一些可拉伸性的材料,具有非常強的硬度和非常好的自修復性功能,可以用到鋰電池裏,能爲我們詳細解釋一下它的原理嗎?

鮑哲南:我們所做的是可以自修復的材料,具備拉伸性的材料。從化學設計上,我們用了一種新的設計理念,雖然是一個固體狀態的物質,但在分子層面上來說,這些分子不像一般的固體分子不可以自由運動的。我們做的可拉伸性的固體,分子可以從一個地方跑到另外一個地方,因爲它的化學鍵可以不斷地打碎,又可以再次形成。

所以,有了這樣特殊的分子結構上的特點,我們把它用作下一代鋰電池,用鋰金屬做一個電極,雖然這個鋰金屬存儲的電可以非常多,但是充電和放電的時候,鋰金屬放在電極上的時候就會形成體積膨脹或體積收縮。採用新型材料,把它放在鋰電池的電極上,當它充電的時候可以均勻生長,如果有某些部分生長不均勻的時候,因爲分子可以流動,這些分子可以使得鋰的分佈均勻,鋰離子均勻從而就保護了這些電極,使得電極可以充放電的次數大大增加。

5、電子皮膚的成本是怎樣的,當它應用到測血壓這類產品時,會不會比傳統器件高出特別多?

鮑哲南:提到成本,跟應用非常有關,但是一般來說做人造皮膚的這些工藝是用大面積生產或者大批量生產的工藝。比如說印刷的方式,或者大面積塗膜的方式去做人造皮膚。這些生產方式與現在印刷報紙或雜誌的方式類似,所以你不難想像,它可以非常快速且大量地做很多器件。所以從這個角度來說,它的成本原則上可以大大降低,特別是每一個功能所需要的消耗或成本,因爲它可以同時生產非常大量,使得它的成本可以降低。

6、未來電子皮膚能否像人真實的皮膚一樣,直接從人的血液中提取能量呢?

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鮑哲南:電子皮膚供給能量是有可能從身體的汗液甚至血液當中提取的,其實這個能量並不是從血液來的,也並不是從汗液來的,血液或者汗液其實只是一個傳輸離子的電介質,所以需要能量的話還是要加入一些材料用來儲電,血液或汗液可以使得存儲的電量真正拿出來用,或者用來充電。所以這是有可能的,但也是非常困難的,因爲我們所流的汗液、血液可能會有感染。比如流汗,很難控制到底流多少汗,有的人流汗多,有的人流汗少,所能夠得到能量很難控制,或者有能量放出或儲能的時候也很難控制,所以這是非常難的一點。將來是有可能達到的,近期還是會用電池或者無線充電這樣的方式。

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7、您提到電子皮膚可以大面積批量生產,但比如說我要用在我身上,但我的皮膚和別人的皮膚粗細程度都不一樣,這個怎麼來配合?您剛纔提到腦機接口可以和皮膚進行配合,但如果您的電子皮膚突然短路了怎麼辦?會不會對身體帶來什麼問題?

鮑哲南:每個人都想擁有個性化的電子皮膚,而且所需要的功能可能也不一樣,所以現在有很多研究是用印刷的方式去製作電子器件,還有三維打印的方式去製作電子器件。電子器件有很多層,導電層、非導電層,而且需要有圖形化,所以這些用印刷的方式是可以直接一層一層做到的。人造皮膚和先進製造是緊密結合起來的,先進製造使得我們可能且可以自己設計我們自己所要的人造皮膚。或許它就今天打印一個,明天再換一個都是可以。

如果電子皮膚突然短路了怎麼辦?所以要防止它發生短路。最主要的是短路時不能讓它過熱。一個是可以在電子皮膚裏面加一些溫度的傳感器,如果有短路的話,最大的問題是它會讓電子器件變得過熱,溫度如果過熱會損傷到人體。如果有檢測溫度的功能,當溫度高過一定的程度,就可以把電子器件關掉,或者不讓電子器件繼續運作。另一個方式是可以用一些材料來達到這樣的效果,我們幾年前發表一篇文章中提到,一個材料當溫度過高的時候,它就會從導電的材料變成非導電的材料,當我們把它放在電池裏面,電池一旦過熱,它就變成非導電,導電通路就被切斷了,電子器件當時就不可以再運作,可以防止過熱。

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人造皮膚是我們最終的目標,但有一些應用,其實也是作爲我們做研究的啓發,使得我們去解決一些非常困難的問題。只有解決這些,要跨出好幾個臺階的問題,纔會使得我們充分地發揮新的想象力,然後做出與現在完全不一樣的設想,發現一些新的原理。

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8、大家現在在提柔性電子屏幕這個概念,對於這些研究和運用,您有什麼看法?

鮑哲南:柔性電子屏幕和可摺疊性的電子屏幕,是整個顯示屏幕發展的必然趨勢。我剛剛開始我科學生涯的時候,在貝爾實驗室,那是25年前,我們當時的夢想就是要做摺疊屏幕。當時也描繪了未來顯示屏幕發展的曲線圖。首先是可摺疊性的,10年前就已經發展到在實驗室裏可以做出來。

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我們現在指出的是下一代,就是從摺疊性的變成可拉伸性的電子屏幕。比如現在是摺疊的屏幕,你把它打開,是原來兩倍的屏幕大小。但是如果是可以拉伸性的,你可以想象可能是一個很小的小方塊,因爲是可拉伸性的,所以你想多大就可以拉多大,甚至不用是一個手機放在口袋裏面,這個屏幕可能就像皮膚一樣,如同在我的皮膚上印的花紋一樣,你可以看到你想要的信息。這些是我們所設想的,未來手機的、顯示屏幕的發展方向。

9、剛纔您提到人造電子皮膚是一個比較複雜的跨學科研究,比如說材料、電子領域都要非常精通。您和您團隊精於本專業的同時,也都是一些跨學科的人才,有沒有一些您比較鼓勵的學習方法可以分享?

鮑哲南:我們所在的研究很多跨學科、跨領域的。就像在我的課題組裏面大概有六七個不同學科的學生,還有博士後,我們在一起工作,有研究化學的或是做電子器件的,他們對各自所研究的東西非常擅長,對他所在的專業能夠有非常深的瞭解。但同時,在合作的時候,大家必須能夠互相溝通。互相溝通的時候每個領域所用的名詞可能都不一樣,所以要能夠非常快的學會一種溝通的方式,雖然我是做化學的,也能很快理解做電機的這個人所遇到的問題,創造共同解決問題的方式。