鲍哲南:电子皮肤,带你触摸创新科技!

全世界只有1%的人关注了「科技创新人物」, 你将是下一个科技领军人物!





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科技兴则国兴,科技弱则国弱,正如阿里云研究中心主任田丰所说,在美国创业的群体,将大笔资金投入人工智能、机器人、量子计算、航天航空、生命科学、新能源的时候,中国的创客更多的将互联网时代赚来的资金投入O2O、游戏、直播、社交网络等领域,中国在科技创新上仍明显落后于美国,为避免创业者们错过宝贵的时间窗口,我们将一一介绍未来科技领域的领跑者和他们的科技创新项目,从而为中国创业者们提供有价值的行业信息。

前段时间鲍哲南因成功研制出电子皮肤而获得多项全球顶尖科技奖项,成为首屈一指的前沿科学家。她运用触觉、温度、传感等功能的开发,成功研制出可感受、可传导、可拉伸、可降解的新科技智造材料——电子皮肤。电子皮肤以高敏性和可传导性问鼎当代科技之巅,让可穿戴的电子器件成为可能,电子皮肤不久就会推向市场、海量生产,掀起智能制造新浪潮,成为工业4.0新时代的巨大助力。

皮肤,是新科技智造的未来

皮肤是人类最常见、最亲近的器官,同时也是我们最大的器官,负责传导大量的信息。皮肤是一种可适应、可拉伸并且生物可降解的材料,它还能够同时收集来自外界的压力、疼痛和温度的刺激所产生的信号。

斯坦福大学的杰出华人女科学家鲍哲南和她的团队已经成功研制了一种“电子皮肤”,它能根据压力触感激发变化的电流信号,并且将信号直接传送给活脑细胞。或许在20多年以后,电子皮肤被广泛运用,我们的生活会和电子皮肤密不可分:

          晚上8点手腕的电子皮肤手表会提醒我们准备洗澡休息,早上6点再温柔地将我们叫醒,并且告诉我们血压、血糖正常;我们洗漱完毕触摸日历就能清楚地知道今天日程安排,早上10点开会或下午3点见客户;当我们走出房子准备出门工作,可以用眼镜召唤交通工具来接;我们开会或是见客户的时候只要握手就能知道领导和客户今天心情是否愉快……

到那时,我们可以通过连接电子皮肤和其它的智能产品,将我们的身体通过我们的传感器皮肤跟外部环境智能连接,我们的身体将会是这个连接网络的中心。这些虽然看起来很遥远,但是有了电子皮肤,这条路就是可以走通的,全球顶级女科学家鲍哲南就是这条路上的探路者。

机器人触手,启发了电子皮肤的研究

鮑哲南1970年11月出生于中国江苏南京, 现执教于斯坦福大学化学工程系, 长期研究柔性电子学(flexibleelectronics),2015年被世界顶级学术科研刊物《自然》(Nature)杂志列为“对全球科学界产生重大影响的年度十大人物”,2017年被联合国教科文组织评为「世界杰出女科学家奖」。


(鲍哲南和她的团队,来自斯坦福大学官网的图片)

鲍哲南为什么会研究电子皮肤?做科研的总是要有个启发点的,鲍哲南说,她的科研启发点就是人的皮肤。这个启发点来得非常偶然。那时斯坦福大学的机械系在做一个爬行机器人,鲍哲南看到后觉得这个会爬的机器人真是太酷了,这是2005年,也是鲍哲南到斯坦福大学的第二年,这时候的她已经在柔性电子这块做了9年的科学研究。

鲍哲南经过了解,发现了这个“爬得那样好的机器人的未解决的问题”——当机器人往上爬到墙的最顶端时,墙没有了,机器人的爪子却感受不到,没东西抓就掉下来了——这是一个在机器人研究领域里很普遍也很重要的问题:缺少一种的柔软、很薄的、能让机器人有“感觉”的“皮肤”。


这便形成了鲍哲南想做的电子材料的雏形。这种电子材料要像人类的皮肤一样,能够传送感觉、它要是柔软的,最好还有拉伸性——这些就是人类皮肤所拥有的特性。

当我们加入了电子材料,实现了让电子皮肤模拟这些功能,我们就可以开辟一个新的电子工业时代。发展这类受皮肤的复杂结构启发的电子材料是一个巨大的并且尚未解决的材料难题。但一旦这个难题可攻破,电子皮肤还可以和人类的皮肤一样具有生物降解性,就是说如果电子皮肤受伤了,它可以自我修复,甚至慢慢地把疤痕去掉。有机电子材料的出现可能可以为这一长期存在的问题提供解决方法。

设计电子皮肤的材料

鲍哲南还表示,理想的电子皮肤既需要开发触觉、温度、传感等功能,也面临着有材料局限的挑战,目前已经开发出来的部分电性和拉伸性都好的高分子材料,在模拟人类复杂触觉时仍有不少挑战需要克服。

有了这个传感器后,鲍哲南和她的团队就开始了进一步的材料设计。从可以导电也可以自我修复的电子聚合物,到即便弯来弯去,也不会改变它的导电性的可伸缩的晶体管,还有可生物降解的半导体材料,用这个材料做的电子电路如果植入人体内,可以人为的控制它的分子结构,使得它在一定的时间内慢慢地生物降解。


鲍哲南拿着电子皮肤样本(取自Youtube)

这些模仿皮肤功能的有机电子材料的设计,可以给医疗器件、能源存储和环境应用带来前所未有的性能和功能。这些材料的很多功能,都是现有的电子器件做不到的,这些材料也预示着更多新的可能性。比如说制成能够穿着在身上的智能服装,然后是电子皮肤成为我们的皮肤表面,最终甚至会植入我们的身体。

到底怎么做电子皮肤?

这项技术的核心是一个两层的塑料原件,顶层元件用来感受物理变化,底层元件是一个电路,用来将电子信号转换成活脑能解读的模拟生物信号。

       1. 传感元件(sensingelements),传感元件之所以重要,是因为电子皮肤需要像人类皮肤一样触摸和感知。

       2. 电子电路(circuits),传感元件“感受”到的信号,需要用它转换成我们大脑所可以理解的信号。

在鲍哲南的研究里,制作电子皮肤大致有三种方法:一是制造可触摸的传感器,二是制造测温度的传感器,三是制造化学和生物传感器。

可触摸的传感器可以把橡胶做成像小金字塔一样的形状,这个金字塔的塔尖非常柔软,并且轻薄,只要一压塔尖,就很容易改变金字塔的形状,进而改变电容,灵敏变化的电容就形成了数据,成为电子皮肤的触感。

测温度的传感器是用一些导电的小颗粒和一些高分子的材料混合在一起。当加热的时候,高分子材料就会热膨胀,改变小颗粒之间的距离,进而改变导电性。导电性的改变行程的数据就是温度传感器的触感。

化学和生物传感器就是说,如果手上的皮肤可以感知化学分子或者生物分子的话,或者你在触摸桌子的时候,就可知道这个桌子表面是否有细菌,是否需要擦桌子杀菌。


有了这几种传感器,鲍哲南只要再证实大脑可以理解这些传感器传过来的信号,那么电子皮肤就是有未来的。于是鲍哲南和她的团队做了第一代的人工机械感受器,通过感受压力产生一系列的电信号,然后用老鼠的脑子切片做了实验。

鲍哲南和她的团队用生物工程的方式,改变了老鼠脑子切片某个部位的细胞,使得它对具有敏光性。再把电信号输入到一个光纤里面,测试脑切片对这个光信号是否有反应,于是鲍哲南确认了这个脑子可以理解我们传给它的信号——于是我们得到了结论,用人工机械感受器,可以达到像人的皮肤一样的感受功能,而且可以和大脑联络。

电子皮肤的未来:大规模制造,广泛应用

在鲍哲南获得2017[世界杰出女科学家]的奖项时,UNESCO就表示过,这一奖项是为了表彰她在开发电子皮肤领域做出的贡献,她领导的团队开发出的这种能够感知压力并与大脑沟通的电子皮肤,也许有一天会帮助用假肢的人获得真实的触感。鮑哲南接受媒体访问时表示,“一直希望科学研究成果能夠运用到生活中,帮助人类”、“可穿戴的科技必须要着重于提升功能,如果没有增加新功能,就没有人会去需要它“,鲍哲南和她的团队希望二十多年后,我们的世界是这样的:

        聋哑的残障人士们刚刚在喉咙上装上了电子皮肤,电子皮肤通过感受咽喉部分肌肉运动产生的压力变化,因为耳聋而多年学不会说话的聋哑患者终于可以开口说出自己的声音;

        年迈父母手腕装上电子皮肤,随时监测父母的心率、血糖,时时刻刻“智能把脉”,一旦数据超标就会发送警告到你和父母的手机终端上;

        或者我们手指上已经使用了电子皮肤,它可以感知化学分子或者生物分子,我们就可以自己给自己检查身体。看到皮肤上有一个小块,大小或颜色不太正常,我们只要摸一下就可以知道它是不是癌症病变了……

在未来,人的体内可能有一些传感器,即人工皮肤的电子器件,人体就相当于一个网络中心,与周围朋友、环境所联系。现在鲍哲南和她的团队已经做出电子皮肤,这样的未来也不再只在想象当中。鲍哲南说她接下来将利用有灵敏传感性能的电子皮肤开发血压测量仪器,中期开发计划是应用于让机器人更加灵敏,长期目标则是开发可穿戴的电子器件,并且推向市场,广泛帮助人们的日常生活。对于中国的创业者和投资者来说,这不失为一个可以进入创新科技领域的机会。

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