對話斯坦福大學(xué)鮑哲南教授：ACS首位顛覆者和創(chuàng)新者獎得主
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斯坦福大學(xué)鮑哲南教授是Fusion Fund的投資合伙人，也是第一個在斯坦福當(dāng)院長的華人女性。鮑哲南教授是柔性電子領(lǐng)域的泰斗級人物。她所從事的關(guān)于“人造皮膚”的研究，取得了世人矚目的成果，被媒體稱為當(dāng)今世界化學(xué)工程領(lǐng)域的“黑科技”。2015年，鮑哲南教授因“能傳導(dǎo)觸覺的人工皮膚”相關(guān)工作，入選Nature評選的十大年度人物；2016年，因在柔性電子器件的有機(jī)半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，當(dāng)選美國工程院院士。2020年，鮑哲南教授成為“ACS Central Science Disruptors & Innovators Prize（顛覆者和創(chuàng)新者獎）”首位獲獎?wù)摺?/span>
近日，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授成為“ACS Central Science Disruptors & Innovators Prize（顛覆者和創(chuàng)新者獎）”首位獲獎?wù)?/strong>。這一獎項(xiàng)旨在表彰在推動科學(xué)進(jìn)步方面做出顛覆性突破的科學(xué)家。鮑哲南教授因“在導(dǎo)電聚合物分子設(shè)計(jì)及其應(yīng)用領(lǐng)域所做的廣泛且具有顛覆性的研究，以及在人造電子皮膚和其他生物電子器件開發(fā)方面的突出進(jìn)展”而獲獎。她在這一領(lǐng)域的工作包括可拉伸電路、柔性電池和醫(yī)用植入物與生物組織連接材料的開發(fā)。利用這些可拉伸電子材料可以構(gòu)建與活體組織接合的器件，這種電子皮膚可應(yīng)用于人體假肢和機(jī)器人。
鮑哲南本科時從中國移民美國，獲得博士學(xué)位后的最初幾年在貝爾實(shí)驗(yàn)室從事柔性顯示器研究工作。她于2004年進(jìn)入斯坦福大學(xué)任教。美國化學(xué)會出版社《化學(xué)與化工新聞》雜志（C&EN）的自由撰稿人Neil Savage曾與鮑哲南聊過她在電子皮膚領(lǐng)域的工作，以及與之相關(guān)的其它所有話題。
本文同時發(fā)表于ACS Central Science與C&EN.
Neil：你的團(tuán)隊(duì)工作的動力是什么？
鮑哲南
我們致力于改變電子器件的未來。目前的電子產(chǎn)品都是硬性且易碎的。我們設(shè)想在未來，電子設(shè)備將與我們穿在身上的、附著或植入體內(nèi)的東西融合在一起。作為一名訓(xùn)練有素的化學(xué)家，了解能夠應(yīng)用于新一代電子產(chǎn)品的分子設(shè)計(jì)是我的激情所在。
Neil：你是如何開始關(guān)注電子皮膚的？
鮑哲南
20年前，我開始在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作時，我的夢想是制作可折疊顯示器。進(jìn)入斯坦福后，我想做一些更深入的事情。一位機(jī)械工程專業(yè)的同事正在制造一種能夠爬墻的蟑螂機(jī)器人。但每當(dāng)蟑螂機(jī)器人爬到墻頂，就會掉下來，因?yàn)樗鼪]有傳感反饋。從那時起，我對能夠感知觸覺的傳感器產(chǎn)生了興趣。我認(rèn)為這個領(lǐng)域很適合應(yīng)用柔性電子技術(shù)并可潛在地借鑒生物系統(tǒng)。
我們開始模仿人類皮膚的觸覺感知，這促使我們開始思考人類皮膚的所有特性，比如延展性、生物降解性和自愈性。因此我們決定以人體皮膚為靈感，來定義我們將要設(shè)計(jì)和制造的電子產(chǎn)品的屬性和功能。
Neil：你們是如何制造電子皮膚的？
鮑哲南
我們使用以聚合物為基礎(chǔ)的電子材料，因?yàn)橥ㄟ^設(shè)計(jì)它們可以擁有類似皮膚的特性。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，聚合物要有效地輸送電子或電子空穴，則需要具有剛性的晶體結(jié)構(gòu)。然而，對于可拉伸電子器件，我們需要將大比例的非晶疇與小比例的晶疇融合。因此，我們必須找出設(shè)計(jì)半導(dǎo)體的新方法，以保證各種特性不會受到相互影響——基本上就是在保持高電荷載流子遷移率的同時，還能將材料的長度可逆地至少延長兩倍。
Neil：如何制造出具有所需特性的半導(dǎo)體？
鮑哲南
我們采用的一個概念是在聚合物半導(dǎo)體中加入動態(tài)化學(xué)鍵。這些動態(tài)鍵可以是弱氫鍵或弱金屬-配體鍵，它們在張力下很容易斷裂，張力消除后能夠重新連接。如果聚合物拉伸時共價鍵斷裂，在室溫條件下很難重新連接，材料就會永久受損。但如果動態(tài)鍵在拉伸過程中斷裂，它們會消耗機(jī)械能，而不是破壞共價鍵。最后，當(dāng)張力消除后，聚合物能夠回到原初狀態(tài)，動態(tài)鍵也能夠重新連接。動態(tài)鍵在一些應(yīng)用中已得到運(yùn)用。我們面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)出能夠同時提供良好電荷傳輸?shù)姆肿印?/p>
我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將半導(dǎo)體聚合物薄膜制成納米結(jié)構(gòu)時，其延展性比本體聚合物要好得多。因此，我們開發(fā)出了從適當(dāng)選擇的聚合物共混物中形成聚合物半導(dǎo)體納米纖維的方法。現(xiàn)在，我們已得到多種可拉伸、高性能的半導(dǎo)體聚合物，它們原本是脆弱易碎的。
為了搭建電路，我們還需要介電層和導(dǎo)電材料，而且所有這些元件都必須是可拉伸的。我們需要開發(fā)這些材料，在不影響電子性能的前提下添加新的功能。此外，我們還需要開發(fā)一種制版工藝，為每種類型的材料制作貼片，供我們搭建電路?，F(xiàn)在，我們可以一次制造數(shù)千個晶體管，而我們搭建的功能電路塊能容納幾十個晶體管。
Neil：電子皮膚真的能再現(xiàn)觸覺嗎？
鮑哲南
分屬若干類型的許多機(jī)械感受器發(fā)出各種信號，觸覺就是通過這些信號組合而產(chǎn)生的。我們正在嘗試以電子皮膚傳感器的輸出模仿皮膚機(jī)械感受器所產(chǎn)生的輸出。我們有可以感知壓力、張力或剪切力的傳感器，也有可以把這些信號轉(zhuǎn)換成電脈沖的電路。脈沖電信號基本上都是生物機(jī)械感受器產(chǎn)生的信號。我們希望我們的電子皮膚能在使用電脈沖刺激神經(jīng)時產(chǎn)生觸覺。但這還有待測試，我們現(xiàn)在制造的電子皮膚在傳感器數(shù)量和信號處理能力方面還無法與人類皮膚的復(fù)雜性相匹配。我們很快就能實(shí)現(xiàn)將各種不同類型的傳感器集成到電子皮膚上，它們都能產(chǎn)生類似神經(jīng)的信號。
我們的愿景是，最終制造出與生命系統(tǒng)直接通訊的電子設(shè)備。幫助佩戴假肢的人重獲觸覺將會產(chǎn)生重要影響。
Neil：距離實(shí)現(xiàn)這種電子皮膚還有多遠(yuǎn)的路要走？
鮑哲南
剛才說的是長期愿景，但從短期來看，我們開發(fā)的傳感器已經(jīng)促成了無創(chuàng)持續(xù)監(jiān)測可穿戴設(shè)備的產(chǎn)生。例如，血壓監(jiān)測設(shè)備的生產(chǎn)已發(fā)展成一家子公司（PyrAmes）。我們正在開發(fā)其他可穿戴傳感器，通過監(jiān)測人體汗液或唾液中的化學(xué)物質(zhì)來感知人的壓力水平。這些與電路相結(jié)合的傳感器有可能用作機(jī)器人皮膚，促進(jìn)機(jī)器人與人類的安全合作。
注：本文轉(zhuǎn)載自ACS美國化學(xué)會。
