斯坦福大學(xué)鮑哲南教授：人造電子皮膚不是夢，未來再無智能機(jī)
鮑哲南，斯坦福大學(xué)K.K. Lee 化學(xué)工程學(xué)教授、化學(xué)教授和材料科學(xué)與工程教授，斯坦福大學(xué)可穿戴電子中心創(chuàng)始人、主任和未來科學(xué)大獎(jiǎng)科學(xué)委員會(huì)委員。在2004年加入斯坦福大學(xué)之前，她是1995-2004年朗訊科技貝爾實(shí)驗(yàn)室杰出技術(shù)人員。她發(fā)表超過400篇高影響力的論文和擁有超過60項(xiàng)美國，她為有機(jī)電子材料提出了許多開創(chuàng)性的概念。
本文轉(zhuǎn)載自“網(wǎng)易科學(xué)人”，原標(biāo)題為：鮑哲南:人造電子皮膚不是幻想 未來不再有智能機(jī)。
鮑哲南在制造用于柔性薄型顯示器的全塑晶體管的新型高性能有機(jī)、高分子半導(dǎo)體材料方面有突出貢獻(xiàn)。她的工作使柔性電子電路和顯示器成為現(xiàn)實(shí)。在她近的工作中，她開發(fā)了皮膚啟發(fā)的電子材料。
她是美國國家工程院院士和國家發(fā)明研究院的院士，因?yàn)樵谌嗽祀娮悠つw上的工作至關(guān)重要被選為“自然”雜志2015年十大科技人物。她獲得了2017年美國化學(xué)會(huì)應(yīng)用聚合物科學(xué)獎(jiǎng)，美國化工學(xué)會(huì)2014年Andreas Acrivos 化學(xué)工程專業(yè)進(jìn)步獎(jiǎng)。
1精彩言論
1、用電子皮膚一樣的電子材料來做電子器件，不再是一個(gè)科幻的夢想，而是一個(gè)可能實(shí)現(xiàn)的事情。
2、電子皮膚是電子工業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢，可以激發(fā)我們的思考，讓我們有更多的想象空間，可以激發(fā)發(fā)明出新的材料和新的技術(shù)。
3、電子器件就像皮膚一樣，可以貼在我們的身體表面或者種植在皮膚下面，或者在身體里面，這樣的傳感系統(tǒng)就會(huì)像我們?nèi)说钠つw一樣，可以幫助我們的生活和幫助我們更好的理解自己的身體狀況。
4、下一代的電子不光是柔性的，而且有可拉伸性、自修復(fù)性還有生物降解性，我們認(rèn)為電子皮膚是未來電子工業(yè)發(fā)展的一個(gè)不可避免的趨勢。
5、電子皮膚還在起始階段，更加需要基礎(chǔ)的研究，從材料方面、工藝方面去研究這些新型的電子材料它們的電學(xué)性能和力學(xué)的關(guān)系，和怎樣設(shè)計(jì)材料可以使得我們達(dá)到好的電學(xué)功能，也有好的力學(xué)功能。
2正文
某天早上，身上的電子皮膚會(huì)將你輕柔喚醒，告訴你今天的體征正常，可以開啟新一天的工作；當(dāng)你刷牙時(shí)，鏡子會(huì)告訴你今天的天氣和溫度，應(yīng)該穿什么樣的衣服，如果感興趣的話，還可以告訴你今天的新聞是什么；出門時(shí)不用想著帶鑰匙、拿手機(jī)…………
所有的這一切都不再只是想象，鮑哲南教授近期在柔性電子領(lǐng)域的突破讓人類離這樣新型科技社會(huì)更進(jìn)了一步。正如鮑哲南教授所說，智能手機(jī)是現(xiàn)在，而人造電子皮膚是未來，是下一代電子工業(yè)發(fā)展的方向，而且是不可避免的一個(gè)趨勢。
2018年2月份，在英國《自然》雜志上，鮑哲南科研團(tuán)隊(duì)宣布他們在柔性電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了制造工藝的新突破，首次成功開發(fā)出易量產(chǎn)的高密度、高靈敏度可拉伸晶體管陣列。
“為了實(shí)現(xiàn)新模式的電子器件和終電子產(chǎn)品，我們先從發(fā)展新電子材料開始，有了電子材料后還要把工藝做出來?！滨U哲南解釋道：“集成電路里面有很多層的不同的材料，這些不同的材料都必須要能夠做成很小的不同形狀，然后一層要疊加在另一層上，整個(gè)工藝有幾十步到上百步的步驟，所以把工藝做成有很多技術(shù)上的難度?！?/p>
制造工藝的研發(fā)之路并不簡單，據(jù)鮑哲南透露團(tuán)隊(duì)也是研究了8-10年的時(shí)間才把工藝做成。
“這個(gè)的意義非常重大。之所以非常重大是因?yàn)橐郧按蠹易龅亩际侨嵝噪娮?，電子皮膚以前還不可以有拉伸性，而且不可以有集成電路。但集成電路對電子器件來說至關(guān)重要，因?yàn)轱@示屏幕、傳感和計(jì)算都需要集成電路。而在柔性電子皮膚方面，這是第一次做到了這樣的集成電路?！?/p>
這一步的成功證明了電子皮膚一樣的電子材料來做電子器件是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的事情，而不再是一個(gè)科幻的夢想。雖然目前只是集成了幾十個(gè)晶體管到上千個(gè)晶體管，但至少人來已經(jīng)開始邁出第一步。
對于未來電子皮膚的發(fā)展，鮑哲南曾經(jīng)說過智能手機(jī)是現(xiàn)在，但將來將會(huì)是由人造電子皮膚實(shí)現(xiàn)的BodyNet人體網(wǎng)絡(luò)。因此，電子皮膚是將來電子工業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向和趨勢，可以激發(fā)人類的思考，讓人類有更多的想象空間，可以發(fā)明出新的材料和新的技術(shù)。
“比如觸覺傳感器，可以做一種可測血壓的產(chǎn)品；還有一些可拉伸性的材料，有非常強(qiáng)的硬度和非常好的自修復(fù)性功能，這些材料可以用到鋰電池里，使得鋰電池可以有高容量，而且可以持續(xù)充放電時(shí)間更久。這些是早期可以實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用?！滨U哲南舉例道。
以下是對鮑哲南教授的采訪實(shí)錄：
1、可以分享一下《nature》發(fā)表柔性電子領(lǐng)域的一大突破的背景和研發(fā)過程嗎？
鮑哲南：這是我們多年的積累而做成的，其主要是第一次做成可拉伸性的有機(jī)半導(dǎo)體的集成電路，這個(gè)意義非常重大。之所以非常重大是因?yàn)橐郧按蠹易龅亩际侨嵝噪娮樱娮悠つw以前還不可以有拉伸性，而且不可以有集成電路，集成電路的重要性就是所有的電子器件需要晶體管集成起來，才可以實(shí)現(xiàn)如做顯示屏幕、做傳感、計(jì)算的功能。在做柔性電子皮膚電子器件方面，這是第一次做到了這樣的集成電路。
雖然我們的集成還只是做到能夠有幾十個(gè)晶體管到上千個(gè)晶體管，但是這是一個(gè)起始點(diǎn)。
2、這一項(xiàng)目歷經(jīng)了多長時(shí)間？期間遇到了怎樣的困難，遇到了哪些瓶頸？如何實(shí)現(xiàn)的突破？
鮑哲南：其實(shí)我們是在做一種新模式的電子器件和終電子產(chǎn)品，我們需要從發(fā)展材料開始，有了這些新的電子材料之后，還需要再把工藝能夠做出來。集成電路里面有很多層的不同的材料，這些不同的材料都必須要能夠做成很小的不同形狀的材料，然后一層要疊加在另一層上，整個(gè)工藝有幾十步到上百步的步驟，所以把工藝做成有很多技術(shù)上的難度。這些都是通過前面八到十年的研究，才做到今天這樣子的結(jié)果。
3、這一項(xiàng)目是首次成功開發(fā)出更易量產(chǎn)的高密度、高靈敏度、可拉伸晶體管陣列，這一研究的意義是什么？
鮑哲南：就像我前面說的，電子產(chǎn)品都是需要有很多晶體管集成在一起，才可以有它的功能。所以能夠走到這一步證明用電子皮膚一樣的電子材料來做電子器件，是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的事情，而不再是一個(gè)科幻的夢想。電子皮膚的實(shí)現(xiàn)只是時(shí)間問題，把這個(gè)集成越做越大，功能越做越多，我們證明了第一步。
4、電子皮膚在現(xiàn)實(shí)中發(fā)展到怎樣的階段了？
鮑哲南：電子皮膚作會(huì)是將來終電子工業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向和一個(gè)趨勢，可以激發(fā)我們的思考，有更多的想象空間，可以發(fā)明出新的材料和新的技術(shù)。
但是這些材料和技術(shù)在近期也會(huì)有一些非常有價(jià)值的應(yīng)用，比如觸覺傳感器，可以做一種可測血壓的產(chǎn)品；還有一些可拉伸性的材料，有非常強(qiáng)的硬度和非常好的自修復(fù)性功能，這些材料可以用到鋰電池里，使得鋰電池可以有高容量，而且可以持續(xù)充放電時(shí)間更久；這些都是早期可以實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用。
5、電子皮膚如何改變我們的生活？
鮑哲南：我覺得電子皮膚是電子工業(yè)的變革性的方向，基本的理念就是把傳感和信號處理，和信號傳輸結(jié)合在一起，但是這些電子器件并不是像現(xiàn)在已有的比如說可穿戴的手表，而是說就像皮膚一樣，可以貼在我們的皮膚表面或者種植在皮膚下面，或者在身體里面，這樣的話整個(gè)這些傳感系統(tǒng)就會(huì)像我們?nèi)说钠つw一樣，跟人非常接近，可以幫助我們的生活和幫助更好的理解身體狀況。如果不是在人的身上，也可以是在建筑物表面，可以在飛機(jī)表面，或者是在機(jī)器人的身體表面。
所以這個(gè)理念可以運(yùn)用在各種不同的體系里面，都包括傳感和信號處理和信號傳輸，這個(gè)是我們的基本的理念。
電子皮膚我們認(rèn)為這個(gè)是未來電子工業(yè)發(fā)展的一個(gè)不可避免的趨勢。
6、電子皮膚要落地實(shí)現(xiàn)需要實(shí)現(xiàn)哪些突破？還有哪些問題？
鮑哲南：其實(shí)這個(gè)領(lǐng)域還是正在起始階段。
從基礎(chǔ)學(xué)科的角度來說，需要更加多的基礎(chǔ)的研究，從材料方面、工藝方面去研究這些新型的電子材料的電學(xué)性能和力學(xué)的關(guān)系，和怎樣設(shè)計(jì)材料可以使得我們達(dá)到好的電學(xué)功能，好的力學(xué)功能，這些都是新的材料設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，需要很多基礎(chǔ)研究。
然后從工藝的角度上，雖然我們近自然雜志上發(fā)表了第一個(gè)集成新型材料，但是這個(gè)只是起始階段，還需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更大型的集成電路方式。
從應(yīng)用的角度上來說，電子皮膚可以像科幻電影一樣，可以是一個(gè)非常復(fù)雜的就像人的皮膚一樣，非常復(fù)雜的系統(tǒng)。但還是需要能夠找到一個(gè)應(yīng)用的路線圖，路線圖必須要先從簡單的應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)用一些已有的發(fā)明出來的材料和器件，這樣先有簡單的應(yīng)用制造出產(chǎn)品，然后慢慢再到更加越來越復(fù)雜的系統(tǒng)性的應(yīng)用，所以開發(fā)這樣的應(yīng)用前景也是一個(gè)非常重要的方向，需要去研究。
7、大家使用的智能手機(jī)都在提柔性電子屏幕，對于這些研究和應(yīng)用，您有何看法?
鮑哲南：關(guān)于柔性電子屏幕和手機(jī)，這個(gè)我覺得是不可阻擋的趨勢，二十年前我在貝爾實(shí)驗(yàn)室開始研究的時(shí)候，那時(shí)候在設(shè)立柔性電子的未來。那時(shí)候柔性電子是一個(gè)科幻型的未來，但是現(xiàn)在柔性電子已經(jīng)可以看到是必然會(huì)實(shí)現(xiàn)的，只是一個(gè)時(shí)間問題，這些所提到的公司，他們應(yīng)該會(huì)在比較近期內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)。
所以人造電子皮膚，是再下一代的電子，這些電子不光是柔性，而且有可拉伸性、自修復(fù)性還有生物降解性，所以這是將來的電子工業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢。
我覺得是現(xiàn)在人造皮膚的發(fā)展，就像我剛剛20年前開始做柔性電子那時(shí)候的一個(gè)情形，現(xiàn)在正是一個(gè)領(lǐng)域起始的階段，所以令人非常興奮，因?yàn)橛泻芏嘤腥さ目茖W(xué)問題需要解決，這個(gè)是之所以我們著重在這個(gè)方向。
8、石墨烯一直是個(gè)熱詞，您怎么看待石墨烯在電子方面的應(yīng)用與發(fā)展？
鮑哲南：電池的研究之所以我的課題組會(huì)介入這個(gè)，是因?yàn)殡娮悠つw所有的電子器件能量的來源是一個(gè)必不可少的，所以我們所解決的問題里面有集成電路，但是集成電路或者這些顯示屏幕都需要有電池來給它提供電源，所以這個(gè)是我們必須要考慮的問題。而這些電源的話，如果我們把集成電路做成像人的皮膚一樣可拉伸性，這些電池也得有一定的可拉伸性，也像皮膚一樣。所以這個(gè)又是新的挑戰(zhàn)，但是從材料研究方面，很多材料是可以互相借鑒的，所以我的研究課題組也有一部分研究是致力于可拉伸性的電池和一些當(dāng)前電動(dòng)汽車的電池的研究。
對于石墨烯的研究來說，石墨烯是一個(gè)非常有趣的材料，我覺得重要的是要發(fā)掘這個(gè)材料的優(yōu)越性和缺陷，找到適當(dāng)?shù)牡胤剑@個(gè)材料適合的應(yīng)用的地方。所以石墨烯我覺得因?yàn)樗泻芏嗪芴厥獾男阅?，現(xiàn)在的基礎(chǔ)研究讓我們更加了解這個(gè)材料的性能，只有通過這些基礎(chǔ)研究，我們才可以知道在什么地方石墨烯是適合應(yīng)用的。從這個(gè)基礎(chǔ)研究現(xiàn)在已經(jīng)得到了很多很重要的信息，所以現(xiàn)在可能是一個(gè)在轉(zhuǎn)折的過程中，從基礎(chǔ)研究可以分析什么樣的地方應(yīng)用這些材料是適合的。
