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人造皮肤是什么做的 人造皮肤的培养过程

2020-11-20 16:13:47 来源 : 网易科技

化学家、斯坦福大学化学工程系系主任鲍哲南在 2020 年 “腾讯科学周”期间接受网易科技等媒体的采访。

鲍哲南被誉为人造皮肤领域的 “材料大师”,她带来了关于 “电子皮肤”的大胆设想。“我们将用如人的皮肤一样的电子器件,让人和人之间沟通,人与环境之间交流。”

她讲解了人造皮肤的设计理念与实践过程,虽然目前人造皮肤还未真正用到人的身上,但这个理念已经被证实,并带来了许多意想不到的新启发,“用人造皮肤,现在可以做成连续的、测量血压的,轻轻贴在小婴儿身上这样的血压计。”

她在接受采访中表示在未来的世界,当我们可以真的用电子皮肤感受到周围或感受到某个人的时候,就有可能测出这个人的情绪是怎么样的。人与人之间的距离将会越来越近。

1、您曾经说过做研究的时候想要 make human more human,我们普通人应该怎么理解这句话,您在研究人造皮肤的时候又是怎么把握 “像人与超过人之间”的关系?

鲍哲南:人造皮肤的概念等于一个电子器件,它可以像人的皮肤一样感知、测试,可以让我们知道感觉。所以想象在未来的世界,当我们真的可以用电子皮肤感受到周围或感受到这个人的时候,我们就有可能测出这个人的情绪是怎么样的。

我希望我的家人知道我现在是开心还是沮丧,如果我想让我的家人知道,他们不需要听我讲话就可以感受到。或者我和朋友一起去吃饭,在餐馆里闻到很香的味道,那电子皮肤也可以感受到,通过电子方式传输,遥远的家人也能感受到。所以这就是我们所讲的让人和人之间的距离拉近。

从研究中,我们一方面是思考哪些东西我们可以去学习,比如触觉,能够触觉到各种不一样、不同的物体,不需要看到就很细腻地分辨出来。去做这些电子器件时,摄像头能做得非常好。做人造皮肤时,可以把我们的想象力和创造力结合起来,手触摸的同时可以照相,或者同时把具体的物体放大,或者通过嗅觉闻到水果,或者水果上有细菌,也可以检测到水果没有洗干净,这些都是我们可以想象的,都是可以把它结合到人造皮肤上的。

2、从电子纸到电子皮肤,这二者的区别只是应用方面吗,是否在技术上其实差不多,如果不一样的话,有什么突破?

鲍哲南:电子纸只是一个显示屏幕,是可弯曲型的,但是皮肤是可以感知,而且可以和我们人体神经中枢沟通的。同时电子皮肤不仅是柔软的,而且是具有弹性的,它可以拉伸,可以自己修复,而且还有生物降解性。

所以人造皮肤或者我们讲人造电子皮肤,是我们对未来电子工业发展大趋势的设想,就是未来我们所用的电子器件不再是我们现在使用的,硬的、易碎的,而是像皮肤一样柔软;如果坏了、有划痕,它自己可以修复;用完之后,旧的一代要淘汰了,它又可以自己生物降解,这样就不会引起环境问题。这是我们所设想的未来电子器件发展的一个方向。

3、您能否讲一讲电子皮肤目前的成果,有哪些可以接近商业化?现在 AI 和机器人发展很先进,您的电子皮肤是否可以和机器人产业结合?目前是否有已经合作的?

鲍哲南:人造皮肤的研究有三个主要方面,其中有些是近期的应用,还有些是远期的应用。

首先是从传感、模拟皮肤的感受来说,当它能感受触摸的时,这些传感器就可以和机器人的应用紧密结合起来。我们已经开始把人造皮肤放在机器人身上,再和 AI 结合,去了解所收到的信号意味着什么。

机器人的应用是近期或者中期的应用,更加近期的是有这方面的传感器在可穿戴或医疗机械上,比如能够拥有触觉的传感器,可以用来测量血压,无创性的连续测血压的可穿戴手表或可穿戴在身上的一些产品,已经开始做成产品,验证之后就可以在市场上用。

更加远期一些的话,这些感知和神经中枢所联系起来的方式,可以是用来脑机结合,就如果是用来治疗某些现在无法治愈的疾病,让它变成应用会更快一些。

用人造皮肤来做脑机结合,它的好处是,人的皮肤或者是皮肤形貌的电子器件不会对神经产生伤害,因为它不是用金属的针跟神经接触,所以这会使信号获得更加准确,且同时不会造成伤害。

4、您的研究曾经提到过一些可拉伸性的材料,具有非常强的硬度和非常好的自修复性功能,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:我们所做的是可以自修复的材料,具备拉伸性的材料。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不可以自由运动的。我们做的可拉伸性的固体,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。

所以,有了这样特殊的分子结构上的特点,我们把它用作下一代锂电池,用锂金属做一个电极,虽然这个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。采用新型材料,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。

5、电子皮肤的成本是怎样的,当它应用到测血压这类产品时,会不会比传统器件高出特别多?

鲍哲南:提到成本,跟应用非常有关,但是一般来说做人造皮肤的这些工艺是用大面积生产或者大批量生产的工艺。比如说印刷的方式,或者大面积涂膜的方式去做人造皮肤。这些生产方式与现在印刷报纸或杂志的方式类似,所以你不难想像,它可以非常快速且大量地做很多器件。所以从这个角度来说,它的成本原则上可以大大降低,特别是每一个功能所需要的消耗或成本,因为它可以同时生产非常大量,使得它的成本可以降低。

6、未来电子皮肤能否像人真实的皮肤一样,直接从人的血液中提取能量呢?

鲍哲南:电子皮肤供给能量是有可能从身体的汗液甚至血液当中提取的,其实这个能量并不是从血液来的,也并不是从汗液来的,血液或者汗液其实只是一个传输离子的电介质,所以需要能量的话还是要加入一些材料用来储电,血液或汗液可以使得存储的电量真正拿出来用,或者用来充电。所以这是有可能的,但也是非常困难的,因为我们所流的汗液、血液可能会有感染。比如流汗,很难控制到底流多少汗,有的人流汗多,有的人流汗少,所能够得到能量很难控制,或者有能量放出或储能的时候也很难控制,所以这是非常难的一点。将来是有可能达到的,近期还是会用电池或者无线充电这样的方式。

7、您提到电子皮肤可以大面积批量生产,但比如说我要用在我身上,但我的皮肤和别人的皮肤粗细程度都不一样,这个怎么来配合?您刚才提到脑机接口可以和皮肤进行配合,但如果您的电子皮肤突然短路了怎么办?会不会对身体带来什么问题?

鲍哲南:每个人都想拥有个性化的电子皮肤,而且所需要的功能可能也不一样,所以现在有很多研究是用印刷的方式去制作电子器件,还有三维打印的方式去制作电子器件。电子器件有很多层,导电层、非导电层,而且需要有图形化,所以这些用印刷的方式是可以直接一层一层做到的。人造皮肤和先进制造是紧密结合起来的,先进制造使得我们可能且可以自己设计我们自己所要的人造皮肤。或许它就今天打印一个,明天再换一个都是可以。

如果电子皮肤突然短路了怎么办?所以要防止它发生短路。最主要的是短路时不能让它过热。一个是可以在电子皮肤里面加一些温度的传感器,如果有短路的话,最大的问题是它会让电子器件变得过热,温度如果过热会损伤到人体。如果有检测温度的功能,当温度高过一定的程度,就可以把电子器件关掉,或者不让电子器件继续运作。另一个方式是可以用一些材料来达到这样的效果,我们几年前发表一篇文章中提到,一个材料当温度过高的时候,它就会从导电的材料变成非导电的材料,当我们把它放在电池里面,电池一旦过热,它就变成非导电,导电通路就被切断了,电子器件当时就不可以再运作,可以防止过热。

人造皮肤是我们最终的目标,但有一些应用,其实也是作为我们做研究的启发,使得我们去解决一些非常困难的问题。只有解决这些,要跨出好几个台阶的问题,才会使得我们充分地发挥新的想象力,然后做出与现在完全不一样的设想,发现一些新的原理。

8、大家现在在提柔性电子屏幕这个概念,对于这些研究和运用,您有什么看法?

鲍哲南:柔性电子屏幕和可折叠性的电子屏幕,是整个显示屏幕发展的必然趋势。我刚刚开始我科学生涯的时候,在贝尔实验室,那是 25 年前,我们当时的梦想就是要做折叠屏幕。当时也描绘了未来显示屏幕发展的曲线图。首先是可折叠性的,10 年前就已经发展到在实验室里可以做出来。

我们现在指出的是下一代,就是从折叠性的变成可拉伸性的电子屏幕。比如现在是折叠的屏幕,你把它打开,是原来两倍的屏幕大小。但是如果是可以拉伸性的,你可以想象可能是一个很小的小方块,因为是可拉伸性的,所以你想多大就可以拉多大,甚至不用是一个手机放在口袋里面,这个屏幕可能就像皮肤一样,如同在我的皮肤上印的花纹一样,你可以看到你想要的信息。这些是我们所设想的,未来手机的、显示屏幕的发展方向。

9、刚才您提到人造电子皮肤是一个比较复杂的跨学科研究,比如说材料、电子领域都要非常精通。您和您团队精于本专业的同时,也都是一些跨学科的人才,有没有一些您比较鼓励的学习方法可以分享?

鲍哲南:我们所在的研究很多跨学科、跨领域的。就像在我的课题组里面大概有六七个不同学科的学生,还有博士后,我们在一起工作,有研究化学的或是做电子器件的,他们对各自所研究的东西非常擅长,对他所在的专业能够有非常深的了解。但同时,在合作的时候,大家必须能够互相沟通。互相沟通的时候每个领域所用的名词可能都不一样,所以要能够非常快的学会一种沟通的方式,虽然我是做化学的,也能很快理解做电机的这个人所遇到的问题,创造共同解决问题的方式。

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