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人造电子皮肤将如何打造“人机合一”的未来

当25年前我开始我生平的第一个科学生涯中的科研项目的时候,我怀揣着一个梦想:让将来所有的电视屏幕都变成可折叠性的。或许我们可以把这样的一个设备放在口袋里,也可以随时随地拿出来很方便地使用。当时我畅想的主体还依旧是“电视屏幕”,因为在25年前,你可以想象,那时我们还没有手机问世。

科技的深度发展让人们对各式智能设备的依赖程度越来越高,尤其是智能手机。智能手机的快速发展也逐渐衍生出一系列可穿戴的电子设备。智能手表、智能手环、蓝牙耳机、VR眼镜……此类产品作为智能手机功能的延伸,也正在随着人们更高的消费需求向更智能,更简洁轻便的方向发展。

“人机合一”:梦想照进现实

但已经习惯智能手机陪伴的你是否思考过,如果我们将来的生活中根本没有手机,根本没有这些需要穿脱的、笨重的电子器件,那将会是怎样的景象?这是我们团队在几年前提出的一个大胆的设想,我们认为未来手机的功能将会会融入到人们所穿的衣服当中,或者大家需要使用的智能电子器件将以贴在皮肤上或者植入到体内的方式为我们所用。

这样的转变将意味着人和人之间,人和环境之间交流的方式要发生重大转变。因此,我们团队认为将来的电子工业将随之产生一个巨大的改变,人和人之间的沟通将有赖于像人造皮肤一样的电子器件,这就是此后我们团队所提出的“电子皮肤”的理念。

在25年前,当时如果要做成折叠的这些电子器件,是没有任何可用的材料的。所以从那时起,我和同事们就开始设计新的材料,研究怎样才能够用柔性的材料作出可折叠的屏幕。经过8年的研究,我们终于做出了世界上第一款可以折叠的屏幕。

人造皮肤:柔性,智能,连通人体

我一生当中最好的记忆是当我把我的孩子抱在怀中,轻轻抚摸他的柔软的小手和小脸的时候。也许对普通人来说难以想象,身为母亲的不可以抚摸或无法感知她的孩子,或者在厨房里面做饭的时候,即使被烫到也不知道,这就是戴着假肢的没有感觉的病人每天所经历的。但是这又和研发可折叠的屏幕有什么关系呢?

众所周知,人的身体并不是一条直线,而是一个弯曲的形状。所以真正的电子皮肤也必须是像人的身体一样,能在牢牢覆盖在人身体上而不束缚人的正常运动、活动,并且同时也不会因为人的一些活动或动作而碎裂。这个电子皮肤在附着在人的身体上时也必须要能够正常工作。

所以放在我们团队面前,首先就有这么三个需要解决的核心问题。第一,所用的电子材料不能再同以往的电子器件的用料一样是刚硬的。因为当刚硬的材料放在身体上时,会因为身体在运动时的一些动作断裂,因此不能够正常工作。所以我们必须把这些材料做成像皮肤一样柔软,像皮肤一样的可以拉伸,甚至可以像皮肤一样能自修复,甚至再进一步:可以生物降解。

不过,即便我们研发出了这些材料,还需面临第二个挑战。因为我们人的皮肤是可以感知到压力、可以感知到温度、可以细腻地感知到不同的物体的。所以还需要把手头的这些柔软材料,或者说人造皮肤,做得让它们能够真正地感知感受到不同的物体,也就是知觉。

最后,即使过了前两关,得到的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。所以皮肤的信号或者人造皮肤的信号需要能够和人体结合起来。

发现绝妙材料

我们此前16年的研究就在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们的努力和帮助,使我们在这三方面均有重大突破。

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。大家都知道原子是形成分子的,当分子排列成不同的序列的时候,它们会给分子不同的性能。比如说,金属性能或者可拉伸性的性能。因此当我们有了一定的分子的设计,然后用化学反应去制作出材料的时候,我们才可以去实现目标中不同的性能。但是如果这些分子所做成的材料是刚硬的材料,当人体在运动的时候,这些材料要么会束缚人的运动,要么它们的化学键就会断裂,那使得这个电子器件就不能再工作。

所以我们提出了用那些可以自己修复的化学键去制作这些新型的电子材料。使得我们所得到的电子材料即使其中的化学键断裂之后,它们也会自己重新修复,就有了可拉伸性和自修复性,甚至可以有生物降解的性能。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在上面,它也不会碎裂。这个是我们做的另外一个材料,是可以自修复性的。这个材料,当我们去切它的时候,它的化学键会断开。但是当两个材料被放在一起的时候,化学反应立刻在室温下又进行使得化学键又重新产生。那这个材料现在你可以看到,很快地就恢复它原来的性能。通过我们前面十年的研究,现在我们有一系列的电子材料,从导电的像金属一样的材料到半导体的材料,还有是可以拉伸性的,也可以是自修复性的,也可以是生物降解性的。

所以有了这些材料,我们现在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,同时你看到的红色的曲线就是它发出的电信号。当我们去拉伸它扭曲它,或者甚至放在钉子上,它也照常可以工作。那个红色的信号保持不变,说明它还是在正常的运作当中。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。这样我们才可以做成一个小的新的人造皮肤,使得它可以当这个小虫放在上面的时候,可以检测到这个小虫的腿的位置。

“裸感器件”的传感器是什么样的?

有了材料之后,我们下一步所需要做的是将这些材料做成灵敏的传感器。它既需要有灵敏度,也需要可以分辨不同的外界的信号。我们早期开发的一个可以测压力的传感器,是用小的金字塔做成的形状。当塔尖接受到压力的时候,塔尖会变形,使得电信号改变。但压力更加大的时候,塔底也会变形,使得电信号的改变更加大,这样我们就可以测出不同的压力。当把这样的传感器放在机器的手上的时候,机器手就可以去触摸这个红莓同时不把它弄碎。

当一个人闭着眼睛的时候,用手去触摸一个玩具熊,或者去触摸一个苹果,都可以分辨出来。这是因为不单人的手可以感觉到压力,而且皮肤还会变形,变形的时候就可以知道是不同的物体。所以在我们的压力传感器上,再加一层可以变形的薄膜,就可以测出这个所谓的变形,使得我们对触摸到的到底是一个草莓还是一个苹果作出判断。

至于温度传感器, 我们设计了一个材料。当温度升高的时候,这个材料会膨胀,膨胀会导致里面的金属颗粒间的距离分得更加远,那这样子,它的导电力就会变化,就能起到测量温度的作用。

现在,我们已经有了传感器也有了材料,最后需要做的一点,就是让所接收到的信号成为我们的大脑可以理解的信号。人类大脑所接收的从皮肤来的信号是电的脉冲信号,所以我们所做的人造皮肤也必须能够把传感器所得到的信号改变成同样的脉冲信号。有了这个信号之后,我们还需要把这个电信号直接接到我们的神经上,通过神经才可以传输到大脑。所以人造皮肤必须非常柔软,必须不伤害到我们的神经或者大脑。

现在我们已经把这样的人造皮肤植入小老鼠的身体,可以看到小老鼠可以正常地运动,正常地生活,证明这些人造皮肤是确实是可以和生物体系相容的。距离这些人造皮肤真正用到人的身上还会需要一段时间,但是最主要的理念现在已经可以得到证实。经过我们此前所有的这些研究,我们现在已经有一系列的材料和电子器件,使得我们可以证实人造皮肤是可以做成的。

研究不止于此

目前我们解决了最基本的问题,但是还有很多问题需要继续解决,继续研究。但是这个理念已经被证实,同时人造皮肤也给我们带来了很多意想不到的新的启发。

当新生的婴儿出生的时候,尤其是早产的婴儿,他们非常非常脆弱。初生婴儿的小膀子就像我的手指一样的粗细。如果要监测初生婴儿的血压,需要用一个像钉子一样的针,刺进他的血管,肯定会对婴儿产生很大的伤害,所以医生经常选择不去测他的这些信号。但是缺少了对婴儿身体的检测,就会缺少非常重要的诊疗信息。所以我们可以用人造的皮肤,做成连续的、测量血压的器件,做能够轻轻地贴在婴儿身上的血压计。

此外,我们发现用我们的自修复材料,其实可以使得锂电池变得更加稳定,而且是可以高能量的储电。所以虽然锂电池要用在电动汽车上,现在它还达不到所要的功能和所要的安全,但人造皮肤研究当中给我们带来了一个意想不到的新发现,或许可以在电池储能领域也能发挥作用。

我现在可以非常有信心地说,人造皮肤将会改变人们将来的生活,可以使得人和人之间更加多地沟通,可以使人和人之间更加多地互相的理解。人造皮肤的研究也让我们这些研究人员们学到了更多做研究的方式。现在我的课题组有化学家、生物学家、物理学家,也有电子工程师和机械工程师,大家并肩在一起做研究。这些来自不同领域的研究人员们也来自世界各个不同的国家。我坚信只有在一个非常包容的环境,才可以使得我们更加有想象力,更加有创造力,才能帮助我们去解决世界上最难解决的科学问题。

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