在智能手机消失前,这些科学家们研发了人工皮肤、软体机器人等柔性电子器件

题图来自视觉中国

两年前,斯坦福大学化学工程系教授、美国工程院院士鲍哲南在斯坦福创建了可穿戴计划中心,将不同学院、不同学科的学生和教师们集合在一起共同研究“柔性电子器件”。

在鲍哲南看来,十年、二十年之后,智能手机已经不再存在,但智能手机的功能会逐渐的分解成穿戴的衣服,或是皮肤表层。 

“在未来,像皮肤一般的电子设备将会扮演着非常重要的角色,将会是我们和外部进行交流的方式,也会是我们人际交流的方式。”在11月17日举办的F2 科学峰会上,鲍哲南如是说。

作为数据信息的入口,传感器的核心是材料技术创新。鲍哲南坦言,人工皮肤很重要的一点,就是可以像人的皮肤一样有很灵敏的功能,利用这个功能,可以得到很精确的脉搏跳动,可以做成血压计,这是一个比较早期切入市场的方向。

可植入设备也是鲍哲南教授的研究方向之一。关于可植入设备,钛媒体曾报道过,因YY李学凌朋友圈意外走红的“植入芯片”,实际上是其AI慢病管中的一款医用级传感器,这些医用级生物传感器为普通用户打开了一个观察自己身体运作的窗口,让原本被放养的健康数据有了自我精细管理的可能。 

Fusion Fund 创始合伙人张璐从本科就开始读材料工程,她经常被问到一个问题,你们专业能做什么?张璐认为,材料科学工程,材料化学工程,柔性材料,都是离商业应用非常近的学科,未来应用的前景非常巨大。 

为探讨柔性电子器件的研发现状与商业化前景,在F2 科学峰会上,张璐鲍哲南教授与哈佛大学讲席教授、美国艺术与科学学院院士、美国工程院院士、美国国家发明家科学院院士、美国科学院院士George  M.Whitesides ,新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院教授和副院长、南洋理工大学柔性器件创新研究中心主任陈晓东展开了一场讨论。

George  M.Whitesides认为用柔性材料做成传感器,并且让它植入在人体内或者皮肤下,这可能是未来的一个领域。

张璐有着同样的看法,她认为人工皮肤技术的出现让个性化医疗、持续性监控变得更加容易。“我们希望所有未来的设备,还有医疗器械,都可以更加的小型化,现在人工皮肤,包括柔性电子器件,不仅小型化,还有柔性化,无感的使用,成为人体的延伸。”

陈晓东的课题组最近做了两件事情,把柔性的超级电容器变成纸一样,贴在皮肤上;又做成三维,可以任意折叠变成二维。“这是超过我们平常想象的事情,可以做的东西很多,完全可以改变很多工业上现有的处理方法。”

以下是圆桌实录,钛媒体编辑删减整理:

谈人工皮肤

张璐:在数据信息时代,任何一个数据信息都需要信息入口,最重要的一层就是传感器,传感器核心就是材料技术方面的创新。鲍教授人工皮肤应用在医疗方面进行了许多探索,请您多介绍一下?

鲍哲南:人工皮肤很重要的一点,就是可以像人的皮肤一样有很灵敏的功能,我们利用这个功能,可以得到很精确的脉搏跳动,利用这个原理可以做成血压计,使测血压连续性测试,甚至在小孩婴儿身上也可以来测试。人工皮肤虽然在未来有很多应用,但是近期这是一个比较早期切入市场的方向。    

人工皮肤的感知、触觉,这只是其中的一部分传感的功能,还有肌肉运动的电信号,脑电波,心电波,更重要的是一些化学的信号,这些化学信号可以从唾液中测到,可以从汗液中测到。这些数据是非常多的数据,而且每一个人在不同的时间,所测到的信号都会变化。

如果要真的从这些信号当中取到很有用的信息,并通过信息能够推理出这个人的健康状况和情绪状况,在这个情况下大数据的处理、人工智能是非常重要的。因为这些数据并不是没有规律,需要人工智能将这些传感器所收到的信号结合起来进行处理,这是将来发展的趋势。

张璐:也就是说人工皮肤技术的出现让我们以后的个性化医疗、持续性监控变得更加容易。我们希望所有未来的设备,还有医疗器械,都可以更加的小型化,现在人工皮肤,包括柔性电子器件,不仅小型化,还有柔性化,无感的使用,成为人体的延伸。

谈软体机器人 

张璐:下面一个问题,George  M.Whitesides,您最近做了很多软体机器人的实验和研究,同时也有很多研究是在临床应用方面的,我想了解一下柔性材料还有机器人在医疗方面应用的情况是什么。

George  M.Whitesides:我们可以去想象,在柔性材料和医疗方面的关系,两者之间的关系直接想到的就是人的手,在医疗保健的过程中,护士是非常重要的角色,因为医生可能会做一些手术。但是很多医疗的照顾和看护都是由护士来实现的,会做很多患者所需要的医疗服务。护士是否能够解决所有问题,尤其是中国和美国在人口不断增加的情况下,护士的数量是否足够?这是两国所面临的一个问题。

我认为在医疗的角度,我们不仅仅要关注于临终关怀,对于各个阶段的病人来讲都需要关注,尤其是对于儿童,在儿童时期的医疗对他的一生都会有影响,我们希望能够在这方面来进行研究。所以,不仅仅是在研究癌症方面的内容,同时也进行其他年龄段的研究。 

还有医药企业,他们本身是有一定商业模式的,从商业的角度来讲,可能会有更加有说服力,可以推广相关的技术,很多人都会用非常高的价格使用这些新的材料和技术。    

张璐:有些时候技术并不能解决所有问题,我们当然非常希望这些材料能够应用到传感器和控制器上,但是我们在这方面如何能够做到呢?

George  M.Whitesides:关于控制的问题,它是一种非常直接的方式,比如如果我们的系统本身有一定的自身局限性,是不是能够很好的实现抓取的动作呢?这些都是我们要考虑的。另外,我们要考虑技术开发的目的是什么,比如有些材料是柔性的,是否能够应用在人体方面,用柔性材料做成传感器,并且让它植入在人体内或者皮肤下,这可能是未来的一个领域。

所以在这个过程中,人体工学也是非常重要的领域,人体肯定跟计算机设备有很大的差别,我们要用非常复杂的但是又易于操作的设备,这样才是比较好的解决方案。我们有这样应用的界面,有一些传感的功能。

鲍哲南:对于材料响应性研究方面而言,已经取得了一些成绩,目前对于四种不同的刺激,材料已经能够具有较好的响应。比如化学信号响应,光响应,温度响应等等。这些不同的响应行为如果能够整合到一起,也许能够有进一步的应用场景。

柔性电子器件的商业化挑战

张璐:您做了很多柔性器件的应用和大规模量产,从柔性电子器件到量产,到大规模商业化,面临的最大挑战什么?

鲍哲南:柔性电子的生产,因为不是传统电子工业的生产,生产设备、新的材料,还要考虑到一套工序之后最终产品的产率,这是一个很有挑战性的事情。提高产品的成功率,也就是保证生产出来的器件都要能够工作,这是最困难的事情。

而且需要不同的材料叠加起来,可能有几十层的材料,每一层材料需要有好几种工艺,做成的时候大概有几百步的工序,每一步都需要百分之百的成功率,是非常具有挑战性的。很高兴看到柔宇可以把电子屏幕量产化,这是非常重要的里程碑。    

陈晓东:对于未来的柔性电子器件,最理想的是完全可拉伸、可折叠的,如果这个问题跟工业界、投资界去说,他们等不了十年、二十年,现在有一个复合电子学,把传统的技术加上柔性的、可拉伸、传感的结合在一起,变成有显示产品。大家已经在市面上看到这样的产品了,对业内来说是很令人鼓舞的事情。

谈柔性电池        

张璐:当我们讨论到未来电子设备的时候,肯定是要考虑到电池,还有用电的问题,对于很多应用来讲都有很多问题,对于柔性技术来讲是不是不会用太多的电池,我们用现在的电池有足够了?还是说需要新的技术?

George  M.Whitesides:软性材料非常轻,不需要太多散热功能,因为本来就可以散热。但是在这里面有一些非常有意思的地方,比如其中一点,对于那些没有所谓的连接点的,或者没有可移动的那些部分,在进行设计的时候要用不同的设计,有些时候材料可能特别贵,如果不能用电池,用一次就扔掉可能太贵了。因此从这里面来看,如果未来有极大需求,这些具体的问题是需要具体解决的。

张璐:我们有没有可能把电池技术和柔性技术结合在一起变成柔性电池呢?

George  M.Whitesides:早期有很多人想发明这种柔性电池,现在也有个很大的问题,说到电池就是那些元素,没有办法使用完全全新的要素来制作电池。如果说我们把它们做得非常柔软,就要特别注意离子到底怎么运动,电池本身是非常复杂的。我们必须要利用现在的电池技术,把它和现在的柔性技术结合在一起,而不是发明全新的柔性电池,这种是没有市场的。

张璐:刚刚也说到我们所看到的并不是所谓的数据,看是不是有市场潜力。    

陈晓东:必须要讲材料的好处,我觉得柔性电池,或者超级电动器,有很大的潜力存在的地方,比如我们课题组最近做了两件事情,把柔性的超级电容器变成跟一张纸一样,任何的剪裁,可以变成图案化,有点像纹身,贴在皮肤上。我们又做成三维的,可以任意折叠变成二维的,也可以伸展成三维的,跟纸一样,这是超过我们平常想象的事情,可以做的东西很多,完全可以改变很多工业上现有的处理方法。

张璐:鲍教授也有这方面的研究,人工皮肤这个项目也是非常典型的应用。

鲍哲南:对,超级电容是一个可能性,另外,锂电池也可以把它变成柔性的,甚至是可拉伸性的。就像晓东刚才说的,在材料科学,材料化学上,有很多新的挑战性,从研究的角度来说,这是新的研究方向,随着可穿戴电子越来越广泛的推广,电池是一个非常重要的问题。

我们有些可穿戴的,比如测心跳的,本来整个产品已经可以做到非常小,非常薄了,就是因为电池像钮扣一样很厚,使得整个产品是厚厚的产品,电池如果能做到轻薄,会有很多新的机会,而且电池如果是很薄,就像晓东讲的,可以做成很多不同的形状,设计上方面又有很多的可能性。

张璐:我们有了传感器,帮助我们更加了解自己的健康,通过大数据更好的了解我们的身体,很多疾病是可以被预防的,可以减少很多问题。柔性电子器件的未来非常巨大,哪个具体的方向是现在的没有解决的问题呢?

陈晓东:从硬的变成软的,已经有很多很多难点。从应用角度来说,到底硬在哪里,比如从医疗,驾驶,比如我们车上有传感器,飞机上有传感器,包括军队在使用的,飞行员也有传感器,我们有航母,航母也有传感器,可用的东西非常多。

我现在更愿意往回退一步,不用想那么多应用的问题,只想一个问题,怎么把柔性电子器件,把传感器做好,把系统做好,后面可用的东西不一定非得我来做,我们有这么多人,他们可以把这些应用用不同的领域,甚至超过我想象的地方。我个人对于搞材料来说,包括技术相关的,就把它真正做到极致为止,做到别人不能做,只有你能做到。

谈脑机接口与柔性材料    

现场观众提问:教授们好,我想陈教授和鲍教授一个问题,你们刚才讲到柔性材料大多是传感器相关的,我们现在对脑机交互非常感兴趣,提升注意力等一些东西,有没有可能柔性材料做到跟刺激相关的东西,帮助人们提升注意力,或者辅助睡眠。如果不可以,技术难点在哪里?

鲍哲南:去测脑电波,现在有一些不同的技术,用柔性的材料去测脑电波其实是很重要的发展方向,因为现在已有的电极,要么是很硬的用金属做的,直接植入脑内,会损害软的脑组织。另外一点,用柔性的电极,不但会跟脑组织柔性匹配,另外通过设计这些材料,可以使得它们相比金属电极具有更高的灵敏性,获得更多信号,如果用来做脑刺激,用更小的电压就可以得到同样的效果。所以,不单具有生物上的匹配性,另外会有更好的功能。

陈晓东:有很多挑战问题,举个例子,我们所有人都有这种经历,小木刺刺到手指里,一定要拿出来,否则会很疼。如果是刺到脑颅里面,你觉得会不会有问题?这些是材料科学家要解决的问题,怎么把电极做得更软一点,具有更好的生物相容性,更加舒适,因为舒适度很重要。这就是材料科学家能做的事情,我个人非常欢迎大家有兴趣的人进来。

张璐:修复脑损伤和提升脑功能,都要涉及到嵌入式的设备。做得好的公司已经在用这种柔性材料了,这个行业做的第一家公司也是这个技术做得很好的,我也是他们的投资人,他们从2015年开始利用纳米纤维,做成柔性器件,植入大脑之后去实现一些功能。现在已经拿到美国国防部几千万的资金进行商业研发,建议你去看这类公司的发展,这才是真正脑机接口的应用,应用的核心已经是我们的柔性材料了。

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