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鲍哲南 未来科学大奖科学委员会委员 斯坦福大学化学工程学Department chair and K.K. Lee教授、化学教授和材料科学与工程教授 斯坦福大学可穿戴电子中心创始人和主任 美国国家工程院院士  在2020腾讯科学WE大会上，鲍哲南教授的演讲主题是人造电子皮肤。人造皮肤要想模拟甚至超越天然皮肤的性能，需要闯过三大难关。鲍哲南教授介绍了她与团队在10多年的研究中是如何突破这些难题，并收获意外之喜的。她深信，人造皮肤将是电子工业的下一个趋势，能帮助人与人之间更好地沟通。 以下为演讲全文： 大家好，我是鲍哲南，斯坦福工程学院化工系系主任，K.K. Lee教授。 首先我想问一个问题，你今天有没有带你的手机？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、贴在身上的电子器件和种植到体内的电子器件中。这将是我们人和人之间，人和环境之间交流的方式。我们认为将来的电子工业将会有一个巨大的改变，我们将会用像人造皮肤一样的电子器件让人和人之间沟通。这就是我们所说的电子皮肤的理念。  25年前，当我开始生平第一个科学生涯的时候，我的梦想是，将来所有的电视屏幕都会变成可折叠性的。我们可以放在口袋里，也可以随时随地拿出来用。但是，在25年前，你可以想象，我们还没有手机。当时如果要做成折叠的这些电子器件，我们没有任何可用的材料。从那时起，我们就开始设计新的材料，去发现怎样能够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。 我一生当中最好的记忆是当我把我的小孩抱在怀中的时候，轻轻抚摸他的柔软的小手和小脸的时候。你可以想象吗？做妈妈的不可以抚摸她的孩子，或者你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。但是你又会说，那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。所以你可以看到如果我们的电子皮肤也必须是像人的身体一样，可以覆盖在身体上而不会束缚人的运动，同时也不会碎裂，这个电子皮肤在身体上的时候也必须要能够工作。 我们最重要要解决的有3个问题。第一个是，我们所用的电子材料不能再是刚硬的。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够工作。所以我们必须把这些材料做成像皮肤一样的柔软，像皮肤一样的可以拉伸，甚至可以自修复、生物降解。  第二个挑战是，虽然我们有了这些材料，但是我们人的皮肤可以感知到压力，可以感知到温度，可以感知到细腻的不同的物体。因此我们还需要把这些材料做得让人造皮肤真正可以感受到不同的物体。  最后，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。前16年的研究着重解决这3个最重要的问题，非常感谢我的学生们和合作者们，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。当我们有了分子的设计，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。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。  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，这个机器手就可以去触摸这个红莓也不把它弄碎。当我闭着眼睛的时候，我们的手去触摸一个玩具熊，或者去触摸一个苹果，我可以分辨出来。这是因为不单我的手可以感觉到压力，而且我的皮肤还会变形，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，我们再加一层可以变形的薄膜，就可以测出这个变形，使得我们可以分辨出是一个草莓还是再测一个苹果。（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。膨胀了之后里面的金属颗粒就分得更加远，那这样子，它的导电力就会变化。  现在有了传感器和材料，那我们最后需要做的一点，所接收到的信号让我们的大脑可以理解。我们大脑所接受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这样子的脉冲的信号。那有了这个信号之后，我们还需要把这个电信号直接接到我们的神经，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。 现在我们已经把它植入小老鼠的身体，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。这些人造皮肤要真正用到人的身上还会需要一段时间，但是最重要的这些理念我们现在已经可以证实。经过我们前面的所有的这些研究，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。  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，或者甚至早产的婴儿，他们非常非常脆弱。他的小膀子就像我的手指一样的粗细，如果要监测他的血压，需要用一个像钉子一样的针，刺进他的血管，对他会有很大的伤害，所以医生经常选择不去测他的这些信号。但是对婴儿的身体的检测，会缺少非常重要的信息。所以我们用人造的皮肤，现在可以做成连续的、测量血压的，轻轻地贴在婴儿身上的这样的血压计。  Primers是一个我帮助一起成立的公司，就是希望用人造皮肤去帮人类解决一些以前不可以解决的问题。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。但是我们发现用我们的自修复材料，其实可以使得这些锂电池变得更加稳定，而且是可以高能量的储电，所以这个是人造皮肤研究当中给我们带来的意想不到的一些新的发现。 我现在可以非常有信心地说，人造皮肤将会改变我们将来的生活。可以使得我们人和人之间更加多地沟通，可以使我们人和人之间更加多地互相的理解。人造皮肤的研究也使我们学到了做研究的方式。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。同时，我们的研究人员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，才使得我们可以去解决世界上最难解决的科学问题。 谢谢大家！ |
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