2020年11月7日騰訊WE大會(huì)上，美國斯坦福大學(xué)工程學(xué)院教授鮑哲南介紹了她的團(tuán)隊(duì)研究電子皮膚所面臨的問題。過去的十幾年中，他們發(fā)現(xiàn)了柔軟、可折疊甚至能夠自修復(fù)的材料，在此基礎(chǔ)上材料可以感知不同物體。最終他們希望將電子器件感知的信號(hào)通過神經(jīng)傳入大腦。盡管實(shí)現(xiàn)真正的電子皮膚還有很長的一段路要走，但他們的工作證明這道套路是可行的。她還將繼續(xù)賦能人造皮膚，“讓人類更加人性化”。
演講人 | 鮑哲南（美國斯坦福大學(xué)工程學(xué)院教授）
大家好，我是鮑哲南，美國斯坦福大學(xué)工程學(xué)院化工系系主任，K.K. Lee 教授。
首先我想問一個(gè)問題，你今天你帶手機(jī)了嗎？如果我們將來的生活根本沒有手機(jī)會(huì)是怎樣的？這是我們幾年前提出的一個(gè)大膽的設(shè)想——我們認(rèn)為手機(jī)的功能會(huì)融入到我們所穿的衣服、我們所貼在身上的電子器件，甚至是植入到體內(nèi)的電子器件當(dāng)中。這將是未來我們?nèi)撕腿酥g、人和環(huán)境之間交流的方式。我們認(rèn)為未來的電子工業(yè)將會(huì)有一個(gè)巨大的改變，通過人造皮膚一樣的電子器件來實(shí)現(xiàn)人與人之間的溝通。這就是我們所說的“電子皮膚”的理念。
25年前，當(dāng)我開始科學(xué)生涯時(shí)，我就有一個(gè)夢(mèng)想：將來所有的電視屏幕都變成可折疊的。我們可以把它放在口袋里，也可以隨時(shí)隨地拿出來用。2018年，中國柔宇科技公司發(fā)布了一款可折疊產(chǎn)品。但是，可以想象在25年前，我們甚至還沒有手機(jī)。當(dāng)時(shí)要做成折疊的電子器件，我們還沒有任何可用的材料。從那時(shí)起，我們就開始設(shè)計(jì)新的材料，去研究如何把折疊屏幕做成柔性的。經(jīng)過8年的研究，我們做出了世界上第一款可以折疊的屏幕。
我一生中最美好的記憶是，當(dāng)我把我的小孩抱在懷中，輕輕撫摸他柔軟的小手和小臉的時(shí)候。如果媽媽不能撫摸她的孩子，或者在廚房做飯時(shí)被燙傷也沒感覺，你可以想象嗎？這就是戴著假肢、沒有感覺的病人每天所經(jīng)歷的。但你可能會(huì)問，這和可折疊的屏幕又有什么關(guān)系呢？其實(shí)我們?nèi)说纳眢w不是一條直線，是一個(gè)彎曲的形狀，所以你可以想象電子皮膚也必須像人的身體一樣，可以覆蓋在身體上而不會(huì)束縛人的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也不能碎裂。電子皮膚在身體上的時(shí)候必須要能夠工作。
我們有三個(gè)最重要的問題需要解決。第一個(gè)是所用的電子材料不能是剛硬的。因?yàn)閯傆驳牟牧戏旁谏眢w上，當(dāng)身體在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，這些材料就會(huì)斷裂而不能工作，所以我們必須把這些材料做成像皮膚一樣柔軟，像皮膚一樣可以拉伸，甚至可以自修復(fù)，可以生物降解。
第二個(gè)挑戰(zhàn)是，雖然我們有了這些材料，但是人的皮膚可以感知到壓力、溫度，可以感知到細(xì)膩的、不同的物體，我們需要把這些材料做成可以感受到不同物體的人造皮膚。
第三個(gè)問題是，即使這些傳感器可以接收信號(hào)，就像我們的皮膚可以感受到不同的知覺，但是如果我們的大腦不能處理這些信號(hào)的話，還是沒有感覺，所以人造皮膚的信號(hào)需要能夠和人體結(jié)合起來。
可伸縮半導(dǎo)體和晶體管丨圖源：Amir Foudeh, Jie Xu, Sihong Wang of Bao Lab
我們此前16年的研究著重解決這三個(gè)最重要的問題，非常感謝我的學(xué)生們和合作者，使我們有了重大突破。首先從材料的角度來講，我們需要通過分子的設(shè)計(jì)去得到不同的材料。我們知道分子由原子組成，當(dāng)分子排列成不同的序列的時(shí)候，就帶來了不同的性能，比如金屬性能或者可拉伸性。有了分子的設(shè)計(jì)，然后用化學(xué)反應(yīng)制作出材料，我們才能實(shí)現(xiàn)不同的性能。但是，如果這些分子所做成的材料是剛硬的材料，當(dāng)人運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些材料要么會(huì)束縛人的運(yùn)動(dòng)，要么化學(xué)鍵會(huì)斷裂，電子器件就不能工作了。所以我們提出了用那些可以自己修復(fù)化學(xué)鍵的新型材料，即使其中的化學(xué)鍵斷裂，它們也會(huì)自己重新修復(fù)，這樣它就有了可拉伸性和自修復(fù)性，甚至可以有生物降解的性能。
這個(gè)是我們做的另外一個(gè)可以自修復(fù)性的材料。它可以被切開，化學(xué)鍵斷開了，但當(dāng)兩個(gè)材料被放在一起的時(shí)候，在室溫下立刻發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)鍵又重新產(chǎn)生?，F(xiàn)在你可以看到它很快就恢復(fù)了它原來的性能。
通過我們此前十年的研究，現(xiàn)在我們已經(jīng)有一系列的電子材料，從像金屬一樣的導(dǎo)電材料到半導(dǎo)體的材料，還有有拉伸性、自修復(fù)性的，也有可降解的材料。有了這些材料后，我們可以去開始做一些電子電路。比如說這個(gè)電子電路，它是排列成陣列型的，同時(shí)你看到紅色的曲線就是它發(fā)出的電信號(hào)。
當(dāng)我們?nèi)ダ焖で?，甚至放在釘子上，它都可以照常工作。紅色的信號(hào)幾乎保持不變，說明它在正常的運(yùn)作當(dāng)中。
我們也需要去開發(fā)一些光化學(xué)的研究，使得我們可以把材料做成陣列型的。這樣我們可以做成一個(gè)小的、新型的人造皮膚。當(dāng)小蟲子被放在皮膚上，材料可以檢測(cè)到這個(gè)小蟲的腿的位置。有了材料后，我們下一步所需要做的是將這些材料做成靈敏的傳感器。它不僅需要有靈敏度，還需要可以分辨不同的外界的信號(hào)。
觸覺電子皮膚丨相關(guān)參見Wang, Xu, Bao et al. Nature, 2018
我們?cè)缙陂_發(fā)的一個(gè)可以測(cè)壓力的傳感器，形狀像小金字塔，當(dāng)塔尖接受到壓力后，它會(huì)變形，使得電信號(hào)發(fā)生改變。壓力更加大時(shí)，塔底也會(huì)變形，使得電信號(hào)的改變更大，這樣我們就可以測(cè)出不同的壓力。我們把這樣的傳感器放在機(jī)器手上，機(jī)器手去觸摸紅莓而不把它弄碎。
當(dāng)我們閉著眼睛的時(shí)候，用手去觸摸一個(gè)玩具熊，或者去觸摸一個(gè)蘋果，我們可以很容易分辨出來。這是因?yàn)槭挚梢圆粌H能感覺到壓力，而且皮膚還會(huì)變形，變形的時(shí)候就可以知道是不同的物體。所以在我們的壓力傳感器上，我們?cè)偌右粚涌梢宰冃蔚谋∧?，就可以測(cè)出這個(gè)形變，使得我們可以分辨出是一顆草莓還是一個(gè)蘋果。
在溫度傳感器方面，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種材料，當(dāng)溫度升高的時(shí)候，它會(huì)膨脹，膨脹之后里面的金屬顆粒就分得更加遠(yuǎn)，它的導(dǎo)電能力就會(huì)變化?，F(xiàn)在有了傳感器，有了材料，我們最后需要做的一點(diǎn)，就是所接收到的信號(hào)讓我們的大腦可以理解。
大腦所接受的從皮膚來的信號(hào)是電脈沖信號(hào)，因此，我們所做的人造皮膚也必須能夠把傳感器所得到的信號(hào)變成電脈沖信號(hào)。有了這個(gè)信號(hào)之后，我們還需要把這個(gè)電信號(hào)直接接到我們的神經(jīng)，通過神經(jīng)才可以傳輸?shù)酱竽X。所以人造皮膚必須非常柔軟，不能傷害到我們的神經(jīng)或者大腦?，F(xiàn)在我們已經(jīng)把它植入小鼠的身內(nèi)，小鼠可以正常地運(yùn)動(dòng)生活，證明這些人造皮膚是確實(shí)是可以和生物體系相容的。
人造皮膚丨圖源：Amir Foudeh, Alex Chortos of Bao Lab
這些人造皮膚要真正用到人的身上還需要一段時(shí)間，但是最重要的這些理念我們現(xiàn)在已經(jīng)可以證實(shí)。經(jīng)過前面這些研究，我們現(xiàn)在已經(jīng)有一系列的材料和電子器件，使得我們可以證明人造皮膚是可以做成的。我們解決了最基本的問題，但是還有很多問題需要繼續(xù)解決，繼續(xù)研究。
同時(shí)，人造皮膚也給我們帶來了很多意想不到的啟發(fā)。比如新生兒的血壓監(jiān)測(cè)。嬰兒出生后，或者早產(chǎn)的嬰兒，他們非常脆弱，他的小膀子就像我的手指一樣的粗細(xì)。如果要監(jiān)測(cè)他的血壓，需要用一個(gè)像釘子一樣的針，刺進(jìn)他的血管，對(duì)他會(huì)有很大的傷害，所以醫(yī)生經(jīng)常選擇不去測(cè)這些信號(hào)。但對(duì)嬰兒身體檢測(cè)來說，會(huì)缺少非常重要的信息。而用人造的皮膚，現(xiàn)在可以做成血壓計(jì)，輕輕地貼在嬰兒身上，連續(xù)地監(jiān)測(cè)血壓。Primers是我?guī)椭黄鸪闪⒌墓?，就是希望用人造皮膚去解決一些人類以前不可以解決的問題。另一個(gè)例子是鋰電池，鋰電池廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車上，但現(xiàn)在還達(dá)不到所需的功能和安全。我們發(fā)現(xiàn)如果用我們的自修復(fù)材料，其實(shí)可以使得這些鋰電池變得更加穩(wěn)定，并且可以提高儲(chǔ)電量。這就是人造皮膚研究當(dāng)中給我們帶來的意想不到的一些新的發(fā)現(xiàn)。
可伸縮的傳感器、電路和電池將改變我們與電子設(shè)備以及彼此之間的關(guān)系
我現(xiàn)在可以非常有信心地說，人造皮膚將會(huì)改變我們將來的生活，可以使得我們?nèi)撕腿酥g更多地溝通，可以使我們?nèi)撕腿酥g互相更加理解。人造皮膚的研究也使我們學(xué)到了做研究的方式，現(xiàn)在我的課題組有化學(xué)家、生物學(xué)家、物理學(xué)家，也有電子工程師和機(jī)械工程師，大家并肩在一起做研究。同時(shí)，我們的研究人員來自世界各個(gè)不同的國家。我堅(jiān)信只有在一個(gè)非常包容的環(huán)境下才能使我們更加有想象力，更加有創(chuàng)造力，讓我們可以去解決世界上最難解決的科學(xué)問題。
謝謝大家。
現(xiàn)場(chǎng)采訪實(shí)錄
Q1：如果讓您用一段簡短的話，引發(fā)普通大眾對(duì)您的科研話題的興趣，您會(huì)如何介紹？
鮑哲南：如果用很簡單的方式來描述我現(xiàn)在的研究，就是我們?cè)谘芯啃碌牟牧虾托碌膫鞲衅?，使得我們可以模仿人的皮膚的某些功能，可以改變未來電子產(chǎn)品的前景。簡單地說，就是將手機(jī)的所有功能融入到我們所穿著的衣服或者直接貼在身上，甚至是可以植入身體內(nèi)的電子器件。
Q2：未來人造電子皮膚的發(fā)展會(huì)有跨越性的意義嗎？可以從一些場(chǎng)景上面描述，比如說，可以從生活的角度描述一下，這樣觀眾就會(huì)很容易理解了。像是人造電子皮膚會(huì)怎么樣改變我們的生活呢？
鮑哲南：就近期的研究來說，人造皮膚可以做成檢測(cè)器，比如說像測(cè)血壓，可以連續(xù)地直接測(cè)量，而不再需要用那個(gè)可以伸張壓氣的儀器，或者把針頭刺入血管當(dāng)中這樣的方式去測(cè)量。另外，我們所做出來的具有自修復(fù)性的薄膜可以放在鋰電池里面，使得電動(dòng)汽車運(yùn)作的時(shí)間可以更長。更長遠(yuǎn)來看，可以想象人造皮膚可以直接融入我們的身體。如果我想控制我房間內(nèi)的電視開關(guān)、電燈的開關(guān)，只需要大腦去思考就行了，用意念去想的時(shí)候就可以把它打開。又或者是我在觸摸一個(gè)東西的時(shí)候，人造電子皮膚就自動(dòng)就可以把觸摸的東西照相，可以把它照出來。
Q3：順著您剛才的分享。電子皮膚需要材料既像皮膚一樣柔軟，又要有皮膚一樣的觸覺感知力。從技術(shù)層面上說，您覺得在研究中待解決的問題里，哪個(gè)是比較困難的？
鮑哲南：我的演講中提到有三個(gè)最重要的問題需要解決。這三個(gè)問題當(dāng)中，可能最后這個(gè)問題是我覺得需要最長的時(shí)間去解決的，就是當(dāng)人造皮膚所收到的電信號(hào)，通過怎樣的方式才可以和我們的大腦溝通。這個(gè)電信號(hào)能夠直接跟我們的神經(jīng)互相溝通，然后通過神經(jīng)再傳輸?shù)酱竽X。因?yàn)椴牧弦苯痈梭w接觸，所以材料的穩(wěn)定性、安全性、對(duì)人體是否有害……所有這些問題都是需要很長的時(shí)間才可以驗(yàn)證的。這個(gè)問題可能是三個(gè)問題的當(dāng)中最長期待，也是最難解決的。
Q4：提到人造皮膚，很多人尤其是女生最先想到的可能就是“醫(yī)療美容”了。在之前的一個(gè)采訪中您也提到過一種技術(shù)，是將含有藥物的人造皮膚貼在皺紋處，皺紋就會(huì)消失。請(qǐng)問您說的這種技術(shù)是否有望能很快投入市場(chǎng)使用？有沒有一些場(chǎng)景給女生描述一下，將來大家會(huì)不會(huì)都可以變得很年輕很漂亮呢？
鮑哲南：人造皮膚會(huì)不會(huì)對(duì)我們的人的美容有幫助？其實(shí)現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有一些像人造皮膚一樣貼在身臉上，放一些藥物，去掉皺紋的功能了。但是如果有電子器件在人造皮膚里面的話，它可以使得這些幫助去皺紋的藥物，或者讓皮膚更加潤滑的藥物，更加有效地傳輸進(jìn)皮膚。而且也有一些研究發(fā)現(xiàn)用電刺激皮膚，有可能使得皮膚可以更加的年輕，所以人造皮膚是有可能幫助美容的功效。雖然我的課題組沒有在做這方面的研究，但我認(rèn)為應(yīng)該是可以對(duì)美容有幫助的。
Q5：演講中您提到可拉伸、自修復(fù)材料，可以用到鋰電池里，能為我們?cè)敿?xì)解釋一下它的原理嗎？
鮑哲南：從化學(xué)設(shè)計(jì)上，我們用了一種新的設(shè)計(jì)理念。雖然是一個(gè)固體狀態(tài)的物質(zhì)，但在分子層面上來說，這些分子不像一般的固體分子是不可以自由運(yùn)動(dòng)的。我們做的可拉伸性的固體，它的分子可以從一個(gè)地方跑到另外一個(gè)地方，因?yàn)樗幕瘜W(xué)鍵可以不斷地打碎，又可以再次形成。有了這樣一個(gè)特殊的分子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，我們把它應(yīng)用于下一代鋰電池。
雖然鋰金屬存儲(chǔ)的電可以非常多，但是充電和放電的時(shí)候，鋰金屬放在電極上的時(shí)候就會(huì)形成體積膨脹或體積收縮。膨脹和收縮會(huì)導(dǎo)致短路，短路之后電池就會(huì)著火。采用我們這些新型材料，把它放在鋰電池的電極上，當(dāng)它充電的時(shí)候可以均勻生長，如果有某些部分生長不均勻的時(shí)候，因?yàn)榉肿涌梢粤鲃?dòng)，這些分子可以使得鋰的分布均勻，鋰離子均勻從而就保護(hù)了這些電極，使得電極可以充放電的次數(shù)大大增加。
我們做這些材料起初的用意是做一些可以自修復(fù)的材料，但當(dāng)我們做出來這些新材料之后，發(fā)現(xiàn)它有很奇特的功能，所以就和不同領(lǐng)域的其他專家討論，看他們有哪些問題可以解決，從而發(fā)現(xiàn)在鋰電池上有這樣一個(gè)特殊的應(yīng)用。
Q6：電子皮膚目前的成果有哪些已接近商業(yè)化？現(xiàn)在AI和機(jī)器人發(fā)展很先進(jìn)，電子皮膚是否可以和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)結(jié)合？未來還能有哪些應(yīng)用？
鮑哲南：從傳感、模擬皮膚的感受這方面來講，當(dāng)人造皮膚能感受觸摸的感覺時(shí)，這些傳感器能與機(jī)器人應(yīng)用緊密聯(lián)系起來。我們已經(jīng)將人造皮膚放在機(jī)器人身上，再結(jié)合AI去解釋接收到的信號(hào)是什么。但機(jī)器人相關(guān)的應(yīng)用還是近期或中期的應(yīng)用，更近是可穿戴或醫(yī)療器械上，無創(chuàng)性的連續(xù)測(cè)量血壓的可穿戴手表等，這些已經(jīng)開始嘗試產(chǎn)品化。
更遠(yuǎn)期來看，人造皮膚感知和神經(jīng)中樞聯(lián)系起來的某些方式，未來可以應(yīng)用于腦機(jī)結(jié)合。傳統(tǒng)上，腦機(jī)接口是通過電信號(hào)和大腦連接，需要用導(dǎo)電的材料接到大腦。比如最近引起廣泛關(guān)注馬斯克的Neuralink，他們?cè)谛∝i的腦子里植入了1000多個(gè)電極，這些電極下都是很細(xì)的金屬針。而人的大腦像豆腐一樣非常柔軟，大腦在腦殼內(nèi)還會(huì)隨著我們的活動(dòng)、呼吸而膨脹收縮，會(huì)有一些移動(dòng)。如果放一根針進(jìn)去，必然會(huì)對(duì)大腦有損害。所以下一代腦機(jī)接口電極需要有金屬一樣的導(dǎo)電性能，還要具備人腦的柔軟性。這樣的導(dǎo)電材料植入后才不會(huì)對(duì)大腦產(chǎn)生損害。這也是我們的一個(gè)研究方向。目前我們已經(jīng)把柔軟且導(dǎo)電的電極植入到小鼠腦內(nèi)，已經(jīng)監(jiān)測(cè)了兩個(gè)月，小鼠沒有什么變化。
腦機(jī)結(jié)合的另外一種方式是非入侵式的，我們前不久發(fā)表的一篇文章中提到，我們可以讓大腦的某一個(gè)部位受電信號(hào)的刺激，這樣就有可能我們不用把電極植入腦中，放一個(gè)貼在頭上或貼在胳膊上的電子器件，直接去和大腦溝通。這是另一個(gè)我們?cè)诎l(fā)展的方向。
Q7：電子皮膚的供電系統(tǒng)是怎樣的？現(xiàn)在有一些新的進(jìn)展，比如說汗液發(fā)電，您的研究用是什么方式？
鮑哲南：供電有兩種方式。電子皮膚如果只是實(shí)現(xiàn)傳感器的功能，比如監(jiān)測(cè)脈搏、血壓，對(duì)于不是很復(fù)雜的功能，我們可以通過無線的方法去供電，或者在檢測(cè)的時(shí)候給它供電。但如果是一個(gè)復(fù)雜的電子皮膚，要實(shí)現(xiàn)很多功能，甚至有顯示屏，這樣儲(chǔ)電系統(tǒng)（電池）是不可能避免的。
現(xiàn)在，電池還沒有發(fā)展到能像人的皮膚一樣柔軟，特別是在輕薄方面，目前還在研究當(dāng)中，需要非常多的研究。有一些想法用太陽能或者邊走路可以邊發(fā)電，或者汗液作為導(dǎo)電質(zhì)，那是電池的一部分，把汗液和其它部分結(jié)合起來有可能也可以發(fā)電。這些都是非常好的想法，但最終要實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的應(yīng)用，需要放出可控制的電量，所以能夠儲(chǔ)電的電池是不可避免的、不可缺少的。太陽光并不是一直都有，可能穿了衣服就收不到光了，所以當(dāng)有光的時(shí)候，或在運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的能量，需要做到當(dāng)時(shí)就被接收，但在那種情況下都是需要有電池的。所以發(fā)展柔性電池，甚至像人的皮膚一樣可拉伸性的電池，我覺得是一個(gè)非常重要的發(fā)展方向。如果有這樣的電池，很多消費(fèi)產(chǎn)品就可以變得更加輕薄了。
Q8：您說到未來電子工業(yè)會(huì)發(fā)生改變，比如說以芯片為例，它目前還在以摩爾定律發(fā)展。那么電子皮膚，可折疊性的電子器件也會(huì)呈現(xiàn)摩爾定律那種晶體管數(shù)量翻倍增長的情況嗎？
鮑哲南：您提到的摩爾發(fā)展曲線，像現(xiàn)在半導(dǎo)體的發(fā)展，它是讓晶體管變得越來越小，所以芯片就可以變得越來越小。而我們的人造皮膚，我想是另外一個(gè)發(fā)展方向，并不是越來越小，但跟摩爾發(fā)展曲線相似，里面的功能越來越多。而電子皮膚和硅芯片的發(fā)展的不同點(diǎn)就是面積會(huì)越來越大。我們是著重于大面積的應(yīng)用，不是可以在非常小的區(qū)域內(nèi)放進(jìn)非常多的電子器件，而是電子器件要放在非常大的面積上。如果用現(xiàn)在硅半導(dǎo)體的工藝，成本會(huì)非常高，而且很難把它做成拉伸性或者折疊性的。
