鲍哲南：突破电子皮肤三个关键问题，未来让皮肤实现手机的功能
2020年11月7日腾讯WE大会上，美国斯坦福大学工程学院教授鲍哲南介绍了她的团队研究电子皮肤所面临的问题。过去的十几年中，他们发现了柔软、可折叠甚至能够自修复的材料，在此基础上材料可以感知不同物体。最终他们希望将电子器件感知的信号通过神经传入大脑。尽管实现真正的电子皮肤还有很长的一段路要走，但他们的工作证明这道套路是可行的。她还将继续赋能人造皮肤，“让人类更加人性化”。
演讲人 | 鲍哲南（美国斯坦福大学工程学院教授）
大家好，我是鲍哲南，美国斯坦福大学工程学院化工系系主任，K.K. Lee 教授。
首先我想问一个问题，你今天你带手机了吗？如果我们将来的生活根本没有手机会是怎样的？这是我们几年前提出的一个大胆的设想——我们认为手机的功能会融入到我们所穿的衣服、我们所贴在身上的电子器件，甚至是植入到体内的电子器件当中。这将是未来我们人和人之间、人和环境之间交流的方式。我们认为未来的电子工业将会有一个巨大的改变，通过人造皮肤一样的电子器件来实现人与人之间的沟通。这就是我们所说的“电子皮肤”的理念。
25年前，当我开始科学生涯时，我就有一个梦想：将来所有的电视屏幕都变成可折叠的。我们可以把它放在口袋里，也可以随时随地拿出来用。2018年，中国柔宇科技公司发布了一款可折叠产品。但是，可以想象在25年前，我们甚至还没有手机。当时要做成折叠的电子器件，我们还没有任何可用的材料。从那时起，我们就开始设计新的材料，去研究如何把折叠屏幕做成柔性的。经过8年的研究，我们做出了世界上第一款可以折叠的屏幕。
我一生中最美好的记忆是，当我把我的小孩抱在怀中，轻轻抚摸他柔软的小手和小脸的时候。如果妈妈不能抚摸她的孩子，或者在厨房做饭时被烫伤也没感觉，你可以想象吗？这就是戴着假肢、没有感觉的病人每天所经历的。但你可能会问，这和可折叠的屏幕又有什么关系呢？其实我们人的身体不是一条直线，是一个弯曲的形状，所以你可以想象电子皮肤也必须像人的身体一样，可以覆盖在身体上而不会束缚人的运动，同时也不能碎裂。电子皮肤在身体上的时候必须要能够工作。
我们有三个最重要的问题需要解决。第一个是所用的电子材料不能是刚硬的。因为刚硬的材料放在身体上，当身体在运动的时候，这些材料就会断裂而不能工作，所以我们必须把这些材料做成像皮肤一样柔软，像皮肤一样可以拉伸，甚至可以自修复，可以生物降解。
第二个挑战是，虽然我们有了这些材料，但是人的皮肤可以感知到压力、温度，可以感知到细腻的、不同的物体，我们需要把这些材料做成可以感受到不同物体的人造皮肤。
第三个问题是，即使这些传感器可以接收信号，就像我们的皮肤可以感受到不同的知觉，但是如果我们的大脑不能处理这些信号的话，还是没有感觉，所以人造皮肤的信号需要能够和人体结合起来。
可伸缩半导体和晶体管丨图源：Amir Foudeh, Jie Xu, Sihong Wang of Bao Lab
我们此前16年的研究着重解决这三个最重要的问题，非常感谢我的学生们和合作者，使我们有了重大突破。首先从材料的角度来讲，我们需要通过分子的设计去得到不同的材料。我们知道分子由原子组成，当分子排列成不同的序列的时候，就带来了不同的性能，比如金属性能或者可拉伸性。有了分子的设计，然后用化学反应制作出材料，我们才能实现不同的性能。但是，如果这些分子所做成的材料是刚硬的材料，当人运动时，这些材料要么会束缚人的运动，要么化学键会断裂，电子器件就不能工作了。所以我们提出了用那些可以自己修复化学键的新型材料，即使其中的化学键断裂，它们也会自己重新修复，这样它就有了可拉伸性和自修复性，甚至可以有生物降解的性能。
如视频展示，这是我们所做的一款可以拉伸性的材料。你可以看到即使用针去刺，它也不会碎裂。
1分钟就可以自修复的材料丨相关内容见Wang, Bao et al., Adv. Mater. 2014
这个是我们做的另外一个可以自修复性的材料。它可以被切开，化学键断开了，但当两个材料被放在一起的时候，在室温下立刻发生化学反应，化学键又重新产生。现在你可以看到它很快就恢复了它原来的性能。
通过我们此前十年的研究，现在我们已经有一系列的电子材料，从像金属一样的导电材料到半导体的材料，还有有拉伸性、自修复性的，也有可降解的材料。有了这些材料后，我们可以去开始做一些电子电路。比如说这个电子电路，它是排列成阵列型的，同时你看到红色的曲线就是它发出的电信号。
可伸缩晶体管和电路丨相关参见：J. Xu#, S. Wang#, Z. Bao et al. Science 2017
当我们去拉伸它扭曲它，甚至放在钉子上，它都可以照常工作。红色的信号几乎保持不变，说明它在正常的运作当中。
我们也需要去开发一些光化学的研究，使得我们可以把材料做成阵列型的。这样我们可以做成一个小的、新型的人造皮肤。当小虫子被放在皮肤上，材料可以检测到这个小虫的腿的位置。有了材料后，我们下一步所需要做的是将这些材料做成灵敏的传感器。它不仅需要有灵敏度，还需要可以分辨不同的外界的信号。
高灵敏度压力传感器丨相关内容见：S. Mannsfeld, B. Tee, Z. Bao et. Nature Materials, 2010；C.M. Boutry, Z. Bao et al. Sci. Robotics 2018;3:eaau6914
Q5：演讲中您提到可拉伸、自修复材料，可以用到锂电池里，能为我们详细解释一下它的原理吗？
鲍哲南：从化学设计上，我们用了一种新的设计理念。虽然是一个固体状态的物质，但在分子层面上来说，这些分子不像一般的固体分子是不可以自由运动的。我们做的可拉伸性的固体，它的分子可以从一个地方跑到另外一个地方，因为它的化学键可以不断地打碎，又可以再次形成。有了这样一个特殊的分子结构上的特点，我们把它应用于下一代锂电池。
虽然锂金属存储的电可以非常多，但是充电和放电的时候，锂金属放在电极上的时候就会形成体积膨胀或体积收缩。膨胀和收缩会导致短路，短路之后电池就会着火。采用我们这些新型材料，把它放在锂电池的电极上，当它充电的时候可以均匀生长，如果有某些部分生长不均匀的时候，因为分子可以流动，这些分子可以使得锂的分布均匀，锂离子均匀从而就保护了这些电极，使得电极可以充放电的次数大大增加。
我们做这些材料起初的用意是做一些可以自修复的材料，但当我们做出来这些新材料之后，发现它有很奇特的功能，所以就和不同领域的其他专家讨论，看他们有哪些问题可以解决，从而发现在锂电池上有这样一个特殊的应用。
Q6：电子皮肤目前的成果有哪些已接近商业化？现在AI和机器人发展很先进，电子皮肤是否可以和机器人产业结合？未来还能有哪些应用？
鲍哲南：从传感、模拟皮肤的感受这方面来讲，当人造皮肤能感受触摸的感觉时，这些传感器能与机器人应用紧密联系起来。我们已经将人造皮肤放在机器人身上，再结合AI去解释接收到的信号是什么。但机器人相关的应用还是近期或中期的应用，更近是可穿戴或医疗器械上，无创性的连续测量血压的可穿戴手表等，这些已经开始尝试产品化。
更远期来看，人造皮肤感知和神经中枢联系起来的某些方式，未来可以应用于脑机结合。传统上，脑机接口是通过电信号和大脑连接，需要用导电的材料接到大脑。比如最近引起广泛关注马斯克的Neuralink，他们在小猪的脑子里植入了1000多个电极，这些电极下都是很细的金属针。而人的大脑像豆腐一样非常柔软，大脑在脑壳内还会随着我们的活动、呼吸而膨胀收缩，会有一些移动。如果放一根针进去，必然会对大脑有损害。所以下一代脑机接口电极需要有金属一样的导电性能，还要具备人脑的柔软性。这样的导电材料植入后才不会对大脑产生损害。这也是我们的一个研究方向。目前我们已经把柔软且导电的电极植入到小鼠脑内，已经监测了两个月，小鼠没有什么变化。
脑机结合的另外一种方式是非入侵式的，我们前不久发表的一篇文章中提到，我们可以让大脑的某一个部位受电信号的刺激，这样就有可能我们不用把电极植入脑中，放一个贴在头上或贴在胳膊上的电子器件，直接去和大脑沟通。这是另一个我们在发展的方向。
Q7：电子皮肤的供电系统是怎样的？现在有一些新的进展，比如说汗液发电，您的研究用是什么方式？
鲍哲南：供电有两种方式。电子皮肤如果只是实现传感器的功能，比如监测脉搏、血压，对于不是很复杂的功能，我们可以通过无线的方法去供电，或者在检测的时候给它供电。但如果是一个复杂的电子皮肤，要实现很多功能，甚至有显示屏，这样储电系统（电池）是不可能避免的。
现在，电池还没有发展到能像人的皮肤一样柔软，特别是在轻薄方面，目前还在研究当中，需要非常多的研究。有一些想法用太阳能或者边走路可以边发电，或者汗液作为导电质，那是电池的一部分，把汗液和其它部分结合起来有可能也可以发电。这些都是非常好的想法，但最终要实现比较复杂的应用，需要放出可控制的电量，所以能够储电的电池是不可避免的、不可缺少的。太阳光并不是一直都有，可能穿了衣服就收不到光了，所以当有光的时候，或在运动时所产生的能量，需要做到当时就被接收，但在那种情况下都是需要有电池的。所以发展柔性电池，甚至像人的皮肤一样可拉伸性的电池，我觉得是一个非常重要的发展方向。如果有这样的电池，很多消费产品就可以变得更加轻薄了。
Q8：您说到未来电子工业会发生改变，比如说以芯片为例，它目前还在以摩尔定律发展。那么电子皮肤，可折叠性的电子器件也会呈现摩尔定律那种晶体管数量翻倍增长的情况吗？
鲍哲南：您提到的摩尔发展曲线，像现在半导体的发展，它是让晶体管变得越来越小，所以芯片就可以变得越来越小。而我们的人造皮肤，我想是另外一个发展方向，并不是越来越小，但跟摩尔发展曲线相似，里面的功能越来越多。而电子皮肤和硅芯片的发展的不同点就是面积会越来越大。我们是着重于大面积的应用，不是可以在非常小的区域内放进非常多的电子器件，而是电子器件要放在非常大的面积上。如果用现在硅半导体的工艺，成本会非常高，而且很难把它做成拉伸性或者折叠性的。