人造皮膚設(shè)計(jì)理念被證實(shí) 電子皮膚可拉近人與人之間的距離

11 月 7 日，化學(xué)家、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系系主任鮑哲南在 2020 年 “騰訊科學(xué)周”期間接受網(wǎng)易科技等媒體的采訪。

鮑哲南被譽(yù)為人造皮膚領(lǐng)域的 “材料大師”，她帶來了關(guān)于 “電子皮膚”的大膽設(shè)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(huán)境之間交流。”

她講解了人造皮膚的設(shè)計(jì)理念與實(shí)踐過程，雖然目前人造皮膚還未真正用到人的身上，但這個(gè)理念已經(jīng)被證實(shí)，并帶來了許多意想不到的新啟發(fā)，“用人造皮膚，現(xiàn)在可以做成連續(xù)的、測(cè)量血壓的，輕輕貼在小嬰兒身上這樣的血壓計(jì)。”

她在接受采訪中表示在未來的世界，當(dāng)我們可以真的用電子皮膚感受到周圍或感受到某個(gè)人的時(shí)候，就有可能測(cè)出這個(gè)人的情緒是怎么樣的。人與人之間的距離將會(huì)越來越近。

1、您曾經(jīng)說過做研究的時(shí)候想要 make human more human，我們普通人應(yīng)該怎么理解這句話，您在研究人造皮膚的時(shí)候又是怎么把握 “像人與超過人之間”的關(guān)系？

鮑哲南：人造皮膚的概念等于一個(gè)電子器件，它可以像人的皮膚一樣感知、測(cè)試，可以讓我們知道感覺。所以想象在未來的世界，當(dāng)我們真的可以用電子皮膚感受到周圍或感受到這個(gè)人的時(shí)候，我們就有可能測(cè)出這個(gè)人的情緒是怎么樣的。

我希望我的家人知道我現(xiàn)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，在餐館里聞到很香的味道，那電子皮膚也可以感受到，通過電子方式傳輸，遙遠(yuǎn)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(xué)習(xí)，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(xì)膩地分辨出來。去做這些電子器件時(shí)，攝像頭能做得非常好。做人造皮膚時(shí)，可以把我們的想象力和創(chuàng)造力結(jié)合起來，手觸摸的同時(shí)可以照相，或者同時(shí)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(xì)菌，也可以檢測(cè)到水果沒有洗干凈，這些都是我們可以想象的，都是可以把它結(jié)合到人造皮膚上的。

2、從電子紙到電子皮膚，這二者的區(qū)別只是應(yīng)用方面嗎，是否在技術(shù)上其實(shí)差不多，如果不一樣的話，有什么突破？

鮑哲南：電子紙只是一個(gè)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?nèi)梭w神經(jīng)中樞溝通的。同時(shí)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(fù)，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(duì)未來電子工業(yè)發(fā)展大趨勢(shì)的設(shè)想，就是未來我們所用的電子器件不再是我們現(xiàn)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(fù)；用完之后，舊的一代要淘汰了，它又可以自己生物降解，這樣就不會(huì)引起環(huán)境問題。這是我們所設(shè)想的未來電子器件發(fā)展的一個(gè)方向。

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(yè)化？現(xiàn)在 AI 和機(jī)器人發(fā)展很先進(jìn)，您的電子皮膚是否可以和機(jī)器人產(chǎn)業(yè)結(jié)合？目前是否有已經(jīng)合作的？

鮑哲南：人造皮膚的研究有三個(gè)主要方面，其中有些是近期的應(yīng)用，還有些是遠(yuǎn)期的應(yīng)用。

首先是從傳感、模擬皮膚的感受來說，當(dāng)它能感受觸摸的時(shí)，這些傳感器就可以和機(jī)器人的應(yīng)用緊密結(jié)合起來。我們已經(jīng)開始把人造皮膚放在機(jī)器人身上，再和 AI 結(jié)合，去了解所收到的信號(hào)意味著什么。

機(jī)器人的應(yīng)用是近期或者中期的應(yīng)用，更加近期的是有這方面的傳感器在可穿戴或醫(yī)療機(jī)械上，比如能夠擁有觸覺的傳感器，可以用來測(cè)量血壓，無創(chuàng)性的連續(xù)測(cè)血壓的可穿戴手表或可穿戴在身上的一些產(chǎn)品，已經(jīng)開始做成產(chǎn)品，驗(yàn)證之后就可以在市場(chǎng)上用。

更加遠(yuǎn)期一些的話，這些感知和神經(jīng)中樞所聯(lián)系起來的方式，可以是用來腦機(jī)結(jié)合，就如果是用來治療某些現(xiàn)在無法治愈的疾病，讓它變成應(yīng)用會(huì)更快一些。

用人造皮膚來做腦機(jī)結(jié)合，它的好處是，人的皮膚或者是皮膚形貌的電子器件不會(huì)對(duì)神經(jīng)產(chǎn)生傷害，因?yàn)樗皇怯媒饘俚尼樃窠?jīng)接觸，所以這會(huì)使信號(hào)獲得更加準(zhǔn)確，且同時(shí)不會(huì)造成傷害。

4、您的研究曾經(jīng)提到過一些可拉伸性的材料，具有非常強(qiáng)的硬度和非常好的自修復(fù)性功能，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：我們所做的是可以自修復(fù)的材料，具備拉伸性的材料。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不可以自由運(yùn)動(dòng)的。我們做的可拉伸性的固體，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。

所以，有了這樣特殊的分子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，我們把它用作下一代鋰電池，用鋰金屬做一個(gè)電極，雖然這個(gè)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。采用新型材料，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。

5、電子皮膚的成本是怎樣的，當(dāng)它應(yīng)用到測(cè)血壓這類產(chǎn)品時(shí)，會(huì)不會(huì)比傳統(tǒng)器件高出特別多？

鮑哲南：提到成本，跟應(yīng)用非常有關(guān)，但是一般來說做人造皮膚的這些工藝是用大面積生產(chǎn)或者大批量生產(chǎn)的工藝。比如說印刷的方式，或者大面積涂膜的方式去做人造皮膚。這些生產(chǎn)方式與現(xiàn)在印刷報(bào)紙或雜志的方式類似，所以你不難想像，它可以非?？焖偾掖罅康刈龊芏嗥骷Ｋ詮倪@個(gè)角度來說，它的成本原則上可以大大降低，特別是每一個(gè)功能所需要的消耗或成本，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)生產(chǎn)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(shí)的皮膚一樣，直接從人的血液中提取能量呢？

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(dāng)中提取的，其實(shí)這個(gè)能量并不是從血液來的，也并不是從汗液來的，血液或者汗液其實(shí)只是一個(gè)傳輸離子的電介質(zhì)，所以需要能量的話還是要加入一些材料用來儲(chǔ)電，血液或汗液可以使得存儲(chǔ)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?yàn)槲覀兯鞯暮挂?、血液可能?huì)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(chǔ)能的時(shí)候也很難控制，所以這是非常難的一點(diǎn)。將來是有可能達(dá)到的，近期還是會(huì)用電池或者無線充電這樣的方式。

7、您提到電子皮膚可以大面積批量生產(chǎn)，但比如說我要用在我身上，但我的皮膚和別人的皮膚粗細(xì)程度都不一樣，這個(gè)怎么來配合？您剛才提到腦機(jī)接口可以和皮膚進(jìn)行配合，但如果您的電子皮膚突然短路了怎么辦？會(huì)不會(huì)對(duì)身體帶來什么問題？

鮑哲南：每個(gè)人都想擁有個(gè)性化的電子皮膚，而且所需要的功能可能也不一樣，所以現(xiàn)在有很多研究是用印刷的方式去制作電子器件，還有三維打印的方式去制作電子器件。電子器件有很多層，導(dǎo)電層、非導(dǎo)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(jìn)制造是緊密結(jié)合起來的，先進(jìn)制造使得我們可能且可以自己設(shè)計(jì)我們自己所要的人造皮膚?；蛟S它就今天打印一個(gè)，明天再換一個(gè)都是可以。

如果電子皮膚突然短路了怎么辦？所以要防止它發(fā)生短路。最主要的是短路時(shí)不能讓它過熱。一個(gè)是可以在電子皮膚里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(huì)讓電子器件變得過熱，溫度如果過熱會(huì)損傷到人體。如果有檢測(cè)溫度的功能，當(dāng)溫度高過一定的程度，就可以把電子器件關(guān)掉，或者不讓電子器件繼續(xù)運(yùn)作。另一個(gè)方式是可以用一些材料來達(dá)到這樣的效果，我們幾年前發(fā)表一篇文章中提到，一個(gè)材料當(dāng)溫度過高的時(shí)候，它就會(huì)從導(dǎo)電的材料變成非導(dǎo)電的材料，當(dāng)我們把它放在電池里面，電池一旦過熱，它就變成非導(dǎo)電，導(dǎo)電通路就被切斷了，電子器件當(dāng)時(shí)就不可以再運(yùn)作，可以防止過熱。

人造皮膚是我們最終的目標(biāo)，但有一些應(yīng)用，其實(shí)也是作為我們做研究的啟發(fā)，使得我們?nèi)ソ鉀Q一些非常困難的問題。只有解決這些，要跨出好幾個(gè)臺(tái)階的問題，才會(huì)使得我們充分地發(fā)揮新的想象力，然后做出與現(xiàn)在完全不一樣的設(shè)想，發(fā)現(xiàn)一些新的原理。

8、大家現(xiàn)在在提柔性電子屏幕這個(gè)概念，對(duì)于這些研究和運(yùn)用，您有什么看法？

鮑哲南：柔性電子屏幕和可折疊性的電子屏幕，是整個(gè)顯示屏幕發(fā)展的必然趨勢(shì)。我剛剛開始我科學(xué)生涯的時(shí)候，在貝爾實(shí)驗(yàn)室，那是 25 年前，我們當(dāng)時(shí)的夢(mèng)想就是要做折疊屏幕。當(dāng)時(shí)也描繪了未來顯示屏幕發(fā)展的曲線圖。首先是可折疊性的，10 年前就已經(jīng)發(fā)展到在實(shí)驗(yàn)室里可以做出來。

我們現(xiàn)在指出的是下一代，就是從折疊性的變成可拉伸性的電子屏幕。比如現(xiàn)在是折疊的屏幕，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(gè)很小的小方塊，因?yàn)槭强衫煨缘模阅阆攵啻缶涂梢岳啻?，甚至不用是一個(gè)手機(jī)放在口袋里面，這個(gè)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(shè)想的，未來手機(jī)的、顯示屏幕的發(fā)展方向。

9、剛才您提到人造電子皮膚是一個(gè)比較復(fù)雜的跨學(xué)科研究，比如說材料、電子領(lǐng)域都要非常精通。您和您團(tuán)隊(duì)精于本專業(yè)的同時(shí)，也都是一些跨學(xué)科的人才，有沒有一些您比較鼓勵(lì)的學(xué)習(xí)方法可以分享？

鮑哲南：我們所在的研究很多跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的。就像在我的課題組里面大概有六七個(gè)不同學(xué)科的學(xué)生，還有博士后，我們?cè)谝黄鸸ぷ?，有研究化學(xué)的或是做電子器件的，他們對(duì)各自所研究的東西非常擅長，對(duì)他所在的專業(yè)能夠有非常深的了解。但同時(shí)，在合作的時(shí)候，大家必須能夠互相溝通?；ハ鄿贤ǖ臅r(shí)候每個(gè)領(lǐng)域所用的名詞可能都不一樣，所以要能夠非?？斓膶W(xué)會(huì)一種溝通的方式，雖然我是做化學(xué)的，也能很快理解做電機(jī)的這個(gè)人所遇到的問題，創(chuàng)造共同解決問題的方式。

責(zé)任編輯：PSY