鲍哲南:突破電子皮肤三個關键問题,未来讓皮肤實現手機的功能...
2020年11月7日腾讯WE大會上，美國斯坦福大學工程學院傳授鲍哲南先容了她的團队钻研電子皮肤所面對的問题。曩昔的十几年中，他们發明了柔嫩、可折叠乃至可以或许自修复的質料，在此根本上質料可以感知分歧物體。终极他们但愿将電子器件感知的旌旗燈号經由過程神經傳入大脑。虽然實現真實的電子皮肤另有很长的一段路要走，但他们的事情證實這道套路是可行的。她還将继续赋强人造皮肤，“讓人類加倍人道化”。演講人 | 鲍哲南（美國斯坦福大學工程學院傳授）
起首我想問一個問题，你今天你带手機了吗？若是咱们未来的糊口底子没有手機遇是怎麼的？這是咱们几年条件出的一個斗胆的假想——咱们認為手機的功效會融入到咱们所穿的衣服、咱们所贴在身上的電子器件，乃至是植入到體內的電子器件傍邊。這将是将来咱们人和人之間、人和情况之間交换的方法。咱们認為将来的電子工業将會有一個庞大的扭转，經由過程人造皮肤同样的電子器件来實現人與人之間的沟通。這就是咱们所說的“電子皮肤”的理念。
25年前，當我起头科學生活時，我就有一個空想：未来所有的電视屏幕都酿成可折叠的。咱们可以把它放在口袋里，也能够随時随地拿出来用。2018年，中國柔宇科技公司公布了一款可折叠產物。可是，可台北室內設計,以想象在25年前，咱们乃至尚未手機。那時要做成折叠的電子器件，咱们尚未任何可用的質料。從當時起，咱们就起头設計新的質料，去钻研若何把折叠屏幕做成柔性的。颠末8年的钻研，咱们做出了世界上第一款可以折叠的屏幕。
我一辈子中最夸姣的影象是，當我把我的小孩抱在怀中，轻轻抚摩他柔嫩的小手和小脸的時辰。若是妈妈不克不及抚摩她的孩子，或在厨房做饭時被烫伤也没感受，你可以想象吗？這就是戴着假肢、没有感受的病人天天所履历的。但你可能會問，這和可折叠的屏幕又有甚麼瓜葛呢？實在咱们人的身體不是一条直線，是一個曲折的外形，以是你可以想象電子皮肤也必需像人的身體同样，可以笼盖在身體上而不會束厄局促人的活動，同時也不克不及碎裂。電子皮肤在身體上的時辰必需要可以或许事情。
咱们有三個最首要的問题必要解决。第一個是所用的電子質料不克不及是刚硬的。由于刚硬的質料放在身體上，當身體在活動的時辰，這些質料就會断裂而不克不及事情，以是咱们必需把這些質料做成像皮肤同样柔嫩，像皮肤同样可以拉伸，乃至可以自修复，可以生物降解。
第二個挑战是，固然咱们有了這些質料，可是人的皮肤可以感知到压力、温度，可以感知到细腻的、分歧的物體，咱们必要把這些質料做成可以感觉到分歧物體的人造皮肤。
第三個問题是，即便這些傳感器可以接管旌旗燈号，就像咱们的皮肤可以感觉到分歧的知觉，可是若是咱们的大脑不克不及處置這些旌旗燈号的话，仍是没有感受，以是人造皮肤的旌旗燈号必要可以或许和人體連系起来。
咱们此前16年的钻研偏重解决這三個最首要的問题，很是感激我的學生们和互助者，使咱们有了重大冲破。起首從質料的角度来說，咱们必要經由過程份子的設計去获得分歧的質料。咱们晓得份子由原子構成，當份子分列成分歧的序列的時辰，就带来了分歧的機能，好比金属機能或可拉伸性。有了份子的設計，然後用化學反响建造出質料，咱们才能實現分歧的機能。可是，若是這些份子所做成的質料是刚硬的質料，當人活動時，這些質料要末會束厄局促人的活動，要末化學键會断裂，電子器件就不克不及事情了。以是咱们提出了用那些可以本身修复化學键的新型質料，即便此中的化學键断裂，它们也會本身從新修复，如许它就有了可拉伸性和自修复性，乃至可以有生物降解的機能。
自修复、柔性份子構成的質料丨相干內容见B. Tee, C. Wang, Z. Bao et al., Nature Nanotech. 2012, Nature Chem., 2013
如视频展現，這是咱们所做的一款可以拉伸性的質料。你可以看到即便用針去刺，它也不會碎裂。
1分钟便可以自修复的質料丨相干內容见Wang, Bao et al., Adv. Mater. 2014
這個是咱们做的此外一個可以自修复性的質料。它可以被切開，化學键断開了，但當两個質料被放在一块兒的時辰，在室温下立即產生化學反响，化學键又從新發生。如今你可以看到它很快就规复了它本来的機能。
經由過程咱们此前十年的钻研，如今咱们已有一系列的電子質料，從像金属同样的导電質料到半导體的質料，另有有拉伸性、自修复性的，也有可降解的質料。有了這些質料後，咱们可以去起头做一些電子電路。好比說這個電子電路，它是分列成阵列型的，同時你看到赤色的曲線就是它發出的電旌旗燈号。
可伸缩晶體管和電路丨相干拜见：J. Xu#, S. Wang#, Z. Bao et al. Science 2017
當咱们去拉伸它扭曲它，乃至放在钉子上，它均可以照旧事情。赤色的旌旗燈号几近連结稳定，阐明它在正常的運作傍邊。
咱们也必要去開辟一些光化學的钻研，使得咱们可以把質料做成阵列型的。如许咱们可以做成一個小的、新型的人造皮肤。當小虫子被放在皮肤上，質料可以檢测到這個小虫的腿的位置。有了質料後，咱们下一步所必要做的是将這些質料做成活络的傳感器。它不但必要有活络度，還必要可以辨别分歧的外界的旌旗燈号。
咱们初期開辟的一個可以测压力的傳感器，外形像小金字塔，當塔尖接管到压力後，它會變形，使得電旌旗燈号產生扭转。压力加倍大時，塔底也會變形，使得電旌旗燈号的改變動大，如许咱们便可以测出分歧的压力。咱们把如许的傳感器放在呆板手上，呆板手去触摸红莓而不把它弄碎。
高活络度压力傳感器丨相干內容见：S. Mannsfeld, B. Tee, Z. Bao et. Nature Materials, 2010；C.M. Boutry, Z. Bao et al. Sci. Robotics 2018;3:eaau6914
當咱色情網站,们闭着眼睛的時辰，用手去触摸一個玩具熊，或去触摸一個苹果，咱们可以很轻易辨别出来。這是由于手可以不但能感受到压力，并且皮肤還會變形，變形的時辰便可以晓得是分歧的物體。以是在咱们的压力傳感器上，咱们再加一层可以變形的薄膜，便可以测出這個形變，使得咱们可以辨别出是一颗草莓仍是一個苹果。
在温度傳感器方面，咱们設計了一種質料，當温度升高的時辰，它會膨胀，膨胀以後內里的金属颗粒就分得加倍远，它的导電能力就會變革。如今有了傳感器，有了質料，咱们最後必要做的一點，就是所接管到的旌旗燈号讓咱们的大脑可以理解。
大脑所接管的從皮肤来的旌旗燈号是電脉冲旌旗燈号，是以，咱们所做的人造皮肤也必需可以或许把傳感器所获得的旌旗燈号酿成電脉冲旌旗燈号。有了這個旌旗燈号以後，咱们還必要把這個電旌旗燈号直接接到咱们的神經，經由過程神經才可以傳输到大脑。以是人造皮肤必需很是柔嫩，不克不及危险到咱们的神經或大脑。如今咱们已把它植入小鼠的身內，小鼠可以正常地活動糊口，證實這些人造皮肤是确切是可以和生物系统相容的。
這些人造皮肤要真正用到人的身上還必要一段時候，可是最首要的這些理念咱们如今已可以證明。颠末前面這些钻研，咱们如今已有一系列的質料和電子器件，使得咱们可以證實人造皮肤是可以做成的。咱们解决了最根基的問题，可是另有不少問题必要继续解决，继续钻研。
同時，人造皮肤也给咱们带来了不少意想不到的開导。好比复活兒的血压监测。婴兒诞生後，或早產的婴兒，他们很是懦弱，他的小膀子就像我的手指同样的粗细。若是要监测他的血压，必要用一個像钉子同样的針，刺進他的血管，對他會有很大的危险，以是大夫常常選擇不去测這些旌旗燈号。但對婴兒身體檢测来講，會缺乏很是首要的信息。而用人造的皮肤，如今可以做成血压计，轻轻地贴在婴兒身上，持续地监测血压。Primers是我帮忙一块兒建立的公司，就是但愿用人造皮肤去解决一些人類之前不成以解决的問题。另外一個例子是锂電池，锂電池遍及利用在電動汽車上，但如今還达不到所需的功效和平安。咱们發明若是用咱们的自修复質料，實在可使得這些锂電池變得加倍不乱，而且可以提高储電量。這就是人造皮肤钻研傍邊给咱们带来的意想不到的一些新的發明。
我如今可以很是有信心肠說，人造皮肤将會扭转咱们未来的糊口，@可%tq86V%使得咱%yi6Jv%们@人和人之間更多地沟通，可使咱们人和人之間相互加倍理解。人造皮肤的钻研也使咱们學到了做钻研的方法，如今我的课题组有化學家、生物學家、物理學家，也有電子工程師和機器工程師，大師并肩在一块兒做钻研。同時，咱们的钻研职员来自世界各個分歧的國度。我深信只有在一個很是包涵的情况下才能使咱们加倍有想象力，加倍有缔造力，讓咱们可以去解决世界上最難明决的科學問题。
感谢大師。
現场采访實錄
Q1：若是讓您用一段简短的话，激發平凡公共對您的科研话题的樂趣，您會若何先容？
鲍哲南：若是用很简略的方法来描寫我如今的钻研，就是咱们在钻研新的質料和新的傳感器，使得咱们可以仿照人的皮肤的某些功效，可以扭转将来電子產物的远景。简略地說，就是将手機的所有功效融入到咱们所穿戴的衣服或直接贴在身上，乃至是可以植入身體內的電子器件。
Q2：将来人造電子皮肤的成长會有超過性的意义吗？可以從一些场景上面描寫，好比說，可以從糊口的角度描寫一下，如许觀眾就會很轻易理解了。像是人造電子皮肤會怎样样扭转咱们的糊口呢？
鲍哲南：就近期的钻研来講，人造皮肤可以做成檢测器，好比說像测血压，可以持续地直接丈量，而再也不必要用阿谁可以蔓延压气的仪器，或把針头刺入血管傍邊如许的方法去丈量。此外，咱们所做出来的具备自修复性的薄膜可以放在锂電池內里，使得電動汽車運作的時候可以更长。更久远来看，可以想象人造皮肤可以直接融入咱们的身體。若是我想节制我房間內的電视開關、電燈的開關，只必要大脑去思虑就好了，意图念去想的時辰便可以把它打開。又或是我在触摸一個工具的時辰，人造電子皮肤就主動便可以把触摸的工具拍照，可以把它照出来。
Q3：顺着您适才的分享。電子皮肤必要質料既像皮肤同样柔嫩，又要有皮肤同样的触觉感知力。從技能层面上說，您感觉在钻研中待解决的問题里，哪一個是比力坚苦的？
鲍哲南：我的演講中提到有三個最首要的問题必要解决。這三個問题傍邊，可能最後這個問题是我感觉必要最长的時候去解决的，就是當人造皮肤所收到的電旌旗燈号，經由過程怎麼的方法才可以和咱们的大脑沟通。這個電旌旗燈号可以或许直接跟咱们的神經相互沟通，然後經由過程神經再傳输到大脑。由于質料要直接跟人根治皮膚癬，體接触，以是質料的不乱性、平安性、對人體是不是有害……所有這些問题都是必要很长的時候才可以驗證的。這個問题多是三個問题的傍邊最持久待，也是最難明决的。
Q4：提到人造皮肤，不少人特别是女生最早想到的可能就是“醫疗美容”了。在以前的一個采访中您也提到過一種技能，是将含有药物的人造皮肤贴在皱纹處，皱纹就會消散。请問您說的這類技能是不是有望能很快投入市场利用？有無一些场景给女生描寫一下，未来大師會不會均可以變得很年青很標致呢？
鲍哲南：人造皮肤會不會對咱们的人的美容有帮忙？實在如今市场上已有一些像人造皮肤同样贴在身脸上，放一些药物，去掉皱纹的功效了。可是若是有電子器件在人造皮肤內里的话，它可使得這些帮忙去皱纹的药物，或讓皮肤加倍润滑的药物，加倍有用地傳输進皮肤。并且也有一些钻研發明用電刺激皮肤，有可能使得皮肤可以加倍的年青，以是人造皮肤是有可能帮忙美容的成果。固然我的课题组没有在做這方面的钻研，但我認為應當是可以對美容有帮忙的。
Q5：演講中您提到可拉伸、自修复質料，可以用到锂電池里，能為咱们具體诠释一下它的道理吗？
鲍哲南：從化學設計上，咱们用了一種新的設計理念。固然是一個固體状况的物資，但在份子层面上来講，這些份子不像一般的固體份子是不成以自由活動的。咱们做的可拉伸性的固體，它的份子可以從一個處所跑到此外一個處所，由于它的化學键可以不竭地打坏，又可以再次構成。有了如许一個特别的份子布局上的特色，咱们把它利用于下一代锂電池。
固然锂金属存储的電可以很是多，可是充電和放電的時辰，锂金属放在電极上的時辰就會構成體积膨胀或體积紧缩。膨胀和紧缩會致使短路，短路以後電池就會着火。采纳咱们這些新型質料，把它放在锂電池的電极上，當它充電的時辰可以平均發展，若是有某些部門發展不平均的時辰，由于份子可以活動，這些份子玄關門款式，可使得锂的散布平均，锂離子平均從而就庇护了這些電极，使得電极可以充放電的次数大大增长。
咱们做這些質料開初的意图是做一些可以自修复的質料，但當咱们做出来這些新質料以後，發明它有很独特的功效，以是就和分歧范畴的其他專家會商，看他们有哪些問题可以解决，從而發明在锂電池上有如许一個特别的利用。
Q6：電子皮肤今朝的功效有哪些已靠近贸易化？如今AI和呆板人成长很先辈，電子皮肤是不是可以和呆板人财產連系？将来還能有哪些利用？
鲍哲南：從傳感、摹拟皮肤的感觉這方面来說，當人造皮肤能感觉触摸的感受時，這些傳感器能與呆板人利用慎密接洽起来。咱们已将人造皮肤放在呆板人身上，再連系AI去诠释接管到的旌旗燈号是甚麼。但呆板人相干的利用仍是近期或中期的利用，更近是可穿着或醫疗器械上，無創性的持续丈量血压的可穿着腕表等，這些已起头测驗考试產物化。
運彩單場，更远期来看，人造皮肤感知和神經中枢接洽起来的某些方法，将来可以利用于脑機連系。傳统上，脑機接口是經由過程電旌旗燈号和大脑毗連，必要用导電的質料接到大脑。好比近来引發遍及存眷马斯克的Neuralink，他们在小猪的脑筋里植入了1000多個電极，這些電极下都是很细的金属針。而人的大脑像豆腐同样很是柔嫩，大脑在脑袋內還會跟着咱们的勾當、呼吸而膨胀紧缩，會有一些挪動。若是放一根針進去，必定會對大脑有侵害。所如下一代脑機接口電极必要有金属同样的导電機能，還要具有人脑的柔嫩性。如许的导電質料植入後才不會對大脑發生侵害。這也是咱们的一個钻研標的目的。今朝咱们已把柔嫩且导電的電极植入到小鼠脑內，已监测了两個月，小鼠没有甚麼變革。
脑機連系的此外一種方法长短入侵式的，咱们前不久颁發的一篇文章中提到，咱们可讓大脑的某一個部位受電旌旗燈号的刺激，如许就有可能咱们不消把電极植入脑中，放一個贴在头上或贴在胳膊上的電子器件，直接去和大脑沟通。這是另外一個咱们在成长的標的目的。
Q7：電子皮肤的供電體系是怎麼的？如今有一些新的希望，好比說汗液發電，您的钻研用是甚麼方法？
鲍哲南：供電有两種方法。電子皮肤若是只是實現傳感器的功效，好比监测脉搏、血压，對付不是很繁杂的功效，咱们可以經由過程無線的法子去供電，或在檢测的時辰给它供電。但若是一個繁杂的電子皮肤，要實現不少功效，乃至有顯示屏，如许储電體系（電池）是不成能防止的。
如今，電池尚未成长到能像人的皮肤同样柔嫩，出格是在浮滑方面，今朝還在钻研傍邊，必要很是多的钻研。有一些設法用太阳能或邊走路可以邊發電，或汗液作為导電質，那是電池的一部門，把汗液和其它部門連系起来有可能也能够發電。這些都是很是好的設法，但终极要實現比力繁杂的利用，必要放出可节制的電量，以是可以或许储電的電池是不成防止的、不成缺乏的。太阳光其實不是一向都有，可能穿了衣服就收不到光了，以是當有光的時辰，美白針, 或在活動時所發生的能量，必要做到那時就被接管，但在那種环境下都是必要有電池的。以是成长柔性電池，乃至像人的皮肤同样可拉伸性的電池，我感觉是一個很是首要的成长標的目的。若是有如许的電池，不少消费產物便可以變得加倍浮滑了。
Q8：您說到将来電子工業會產生扭转，好比說以芯片為例，它今朝還在以摩尔定律成长。那末電子皮肤，可折叠性的電子器件也會顯現摩尔定律那種晶體管数目翻倍增加的环境吗？
鲍哲南：您提到的摩尔成长曲線，像如今半导體的成长，它是讓晶體管變得愈来愈小，以是芯片便可以變得愈来愈小。而咱们的人造皮肤，我想是此外一個成长標的目的，其實不是愈来愈小，但跟摩尔成长曲線類似，內里的功效愈来愈多。而電子皮肤和硅芯片的成长的分歧點就是面积會愈来愈大。咱们是偏重于大面积的利用，不是可以在很是小的區域內放進很是多的電子器件，而是電子器件要放在很是大的面积上。若是用如今硅半导體的工艺，本錢會很是高，并且很難把它做成拉伸性或折叠性的。
本文速记由腾讯WE大會供给，經《返朴》收拾後颁發。
頁:
[1]