2020年11月7日騰訊WE大會上，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通過神經(jīng)傳入大腦。盡管實現(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。
首先我想問一個問題，你今天你帶手機了嗎？如果我們將來的生活根本沒有手機會是怎樣的？這是我們幾年前提出的一個大膽的設(shè)想——我們認(rèn)為手機的功能會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)將會有一個巨大的改變，通過人造皮膚一樣的電子器件來實現(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，我就有一個夢想：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。當(dāng)時要做成折疊的電子器件，我們還沒有任何可用的材料。從那時起，我們就開始設(shè)計新的材料，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候。如果媽媽不能撫摸她的孩子，或者在廚房做飯時被燙傷也沒感覺，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。但你可能會問，這和可折疊的屏幕又有什么關(guān)系呢？其實我們?nèi)说纳眢w不是一條直線，是一個彎曲的形狀，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束縛人的運動，同時也不能碎裂。電子皮膚在身體上的時候必須要能夠工作。
我們有三個最重要的問題需要解決。第一個是所用的電子材料不能是剛硬的。因為剛硬的材料放在身體上，當(dāng)身體在運動的時候，這些材料就會斷裂而不能工作，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。
第三個問題是，即使這些傳感器可以接收信號，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的話，還是沒有感覺，所以人造皮膚的信號需要能夠和人體結(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，然后用化學(xué)反應(yīng)制作出材料，我們才能實現(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)人運動時，這些材料要么會束縛人的運動，要么化學(xué)鍵會斷裂，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。
這個是我們做的另外一個可以自修復(fù)性的材料。它可以被切開，化學(xué)鍵斷開了，但當(dāng)兩個材料被放在一起的時候，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。比如說這個電子電路，它是排列成陣列型的，同時你看到紅色的曲線就是它發(fā)出的電信號。
當(dāng)我們?nèi)ダ焖で?，甚至放在釘子上，它都可以照常工作。紅色的信號幾乎保持不變，說明它在正常的運作當(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，材料可以檢測到這個小蟲的腿的位置。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。
觸覺電子皮膚丨相關(guān)參見Wang, Xu, Bao et al. Nature, 2018
我們早期開發(fā)的一個可以測壓力的傳感器，形狀像小金字塔，當(dāng)塔尖接受到壓力后，它會變形，使得電信號發(fā)生改變。壓力更加大時，塔底也會變形，使得電信號的改變更大，這樣我們就可以測出不同的壓力。我們把這樣的傳感器放在機器手上，機器手去觸摸紅莓而不把它弄碎。
當(dāng)我們閉著眼睛的時候，用手去觸摸一個玩具熊，或者去觸摸一個蘋果，我們可以很容易分辨出來。這是因為手可以不僅能感覺到壓力，而且皮膚還會變形，變形的時候就可以知道是不同的物體。所以在我們的壓力傳感器上，我們再加一層可以變形的薄膜，就可以測出這個形變，使得我們可以分辨出是一顆草莓還是一個蘋果。
在溫度傳感器方面，我們設(shè)計了一種材料，當(dāng)溫度升高的時候，它會膨脹，膨脹之后里面的金屬顆粒就分得更加遠(yuǎn)，它的導(dǎo)電能力就會變化?，F(xiàn)在有了傳感器，有了材料，我們最后需要做的一點，就是所接收到的信號讓我們的大腦可以理解。
大腦所接受的從皮膚來的信號是電脈沖信號，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變成電脈沖信號。有了這個信號之后，我們還需要把這個電信號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)，小鼠可以正常地運動生活，證明這些人造皮膚是確實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間，但是最重要的這些理念我們現(xiàn)在已經(jīng)可以證實。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，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。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)測他的血壓，需要用一個像釘子一樣的針，刺進(jìn)他的血管，對他會有很大的傷害，所以醫(yī)生經(jīng)常選擇不去測這些信號。但對嬰兒身體檢測來說，會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，輕輕地貼在嬰兒身上，連續(xù)地監(jiān)測血壓。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。另一個例子是鋰電池，鋰電池廣泛應(yīng)用在電動汽車上，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，其實可以使得這些鋰電池變得更加穩(wěn)定，并且可以提高儲電量。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械工程師，大家并肩在一起做研究。同時，我們的研究人員來自世界各個不同的國家。我堅信只有在一個非常包容的環(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)場采訪實錄
Q1：如果讓您用一段簡短的話，引發(fā)普通大眾對您的科研話題的興趣，您會如何介紹？
鮑哲南：如果用很簡單的方式來描述我現(xiàn)在的研究，就是我們在研究新的材料和新的傳感器，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)展會有跨越性的意義嗎？可以從一些場景上面描述，比如說，可以從生活的角度描述一下，這樣觀眾就會很容易理解了。像是人造電子皮膚會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器，比如說像測血壓，可以連續(xù)地直接測量，而不再需要用那個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，使得電動汽車運作的時間可以更長。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，用意念去想的時候就可以把它打開。又或者是我在觸摸一個東西的時候，人造電子皮膚就自動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，哪個是比較困難的？
鮑哲南：我的演講中提到有三個最重要的問題需要解決。這三個問題當(dāng)中，可能最后這個問題是我覺得需要最長的時間去解決的，就是當(dāng)人造皮膚所收到的電信號，通過怎樣的方式才可以和我們的大腦溝通。這個電信號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。因為材料要直接跟人體接觸，所以材料的穩(wěn)定性、安全性、對人體是否有害……所有這些問題都是需要很長的時間才可以驗證的。這個問題可能是三個問題的當(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，皺紋就會消失。請問您說的這種技術(shù)是否有望能很快投入市場使用？有沒有一些場景給女生描述一下，將來大家會不會都可以變得很年輕很漂亮呢？
鮑哲南：人造皮膚會不會對我們的人的美容有幫助？其實現(xiàn)在市場上已經(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，能為我們詳細(xì)解釋一下它的原理嗎？
鮑哲南：從化學(xué)設(shè)計上，我們用了一種新的設(shè)計理念。雖然是一個固體狀態(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動的。我們做的可拉伸性的固體，它的分子可以從一個地方跑到另外一個地方，因為它的化學(xué)鍵可以不斷地打碎，又可以再次形成。有了這樣一個特殊的分子結(jié)構(gòu)上的特點，我們把它應(yīng)用于下一代鋰電池。
雖然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。膨脹和收縮會導(dǎo)致短路，短路之后電池就會著火。采用我們這些新型材料，把它放在鋰電池的電極上，當(dāng)它充電的時候可以均勻生長，如果有某些部分生長不均勻的時候，因為分子可以流動，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和機器人發(fā)展很先進(jìn)，電子皮膚是否可以和機器人產(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，這些傳感器能與機器人應(yīng)用緊密聯(lián)系起來。我們已經(jīng)將人造皮膚放在機器人身上，再結(jié)合AI去解釋接收到的信號是什么。但機器人相關(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)用于腦機結(jié)合。傳統(tǒng)上，腦機接口是通過電信號和大腦連接，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，他們在小豬的腦子里植入了1000多個電極，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)還會隨著我們的活動、呼吸而膨脹收縮，會有一些移動。如果放一根針進(jìn)去，必然會對大腦有損害。所以下一代腦機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對大腦產(chǎn)生損害。這也是我們的一個研究方向。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)測了兩個月，小鼠沒有什么變化。
腦機結(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部位受電信號的刺激，這樣就有可能我們不用把電極植入腦中，放一個貼在頭上或貼在胳膊上的電子器件，直接去和大腦溝通。這是另一個我們在發(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現(xiàn)傳感器的功能，比如監(jiān)測脈搏、血壓，對于不是很復(fù)雜的功能，我們可以通過無線的方法去供電，或者在檢測的時候給它供電。但如果是一個復(fù)雜的電子皮膚，要實現(xiàn)很多功能，甚至有顯示屏，這樣儲電系統(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)有光的時候，或在運動時所產(chǎn)生的能量，需要做到當(dāng)時就被接收，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，我覺得是一個非常重要的發(fā)展方向。如果有這樣的電池，很多消費產(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)展的不同點就是面積會越來越大。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，成本會非常高，而且很難把它做成拉伸性或者折疊性的。
