呼之欲出：顛覆智能手機的新物種
演講 | 鮑哲南（美國國家工程學院院士 斯坦福大學可穿戴科技中心主任）
整理 | 筆記俠柯洲
責編 | 邸利會
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電子皮膚的核心是晶體管。所以，我想先談談晶體管。
與普通機械開關不同，晶體管利用電訊號來控制自身的開合，而且開關速度可以非?？?。1947年，貝爾實驗室發(fā)明了晶體管。貝爾實驗室一開始非常簡陋，后來發(fā)現(xiàn)可以用硅做晶體管，用硅片制成的芯片有著驚人的運算能力。硅材料到處都有，沙子里都有，而且很便宜，于是用它做了很多小器件。1958年，又可以做成平板，放很多晶體管。這是非常重要的里程碑，得到了1956年的諾貝爾物理學獎（編者按：因為1947年晶體管的發(fā)明，貝爾實驗室的John Bardeen, Walter Brattain 和 William Shockley分享了該獎項）。我1995年拿到博士以后也曾在貝爾實驗室工作了7年。
獲獎的人來到硅谷進行生產，研究出生產集成電路的工藝。IBM現(xiàn)在可以把晶體管做到7個納米，快接近原子級。英特爾創(chuàng)始人摩爾提出，一個芯片上的晶體管數(shù)量每過18個月會翻番。由于密度提高，硅片尺寸越大則每片硅片上可以制造的芯片數(shù)量就越多，從而制造成本就越低，也就是同樣的面積，價格可以更便宜。
現(xiàn)在晶體管不可能一直縮小，基本快要到頭了，那么半導體和電子工業(yè)到底往哪里發(fā)展？接下來又有什么新的功能和形貌，可以讓電子工業(yè)繼續(xù)往前發(fā)展？晶體管物理預算的速度已經達到極限，不可能再往前發(fā)展。那么電子工業(yè)要有大的發(fā)展，電子產品就不能再是很硬很厚的樣子——將來的電子產品要能夠放在身上、體內，有可折疊的電子屏幕。
這些都會帶來新的可能性，但是非常難做，硅做的晶體管很脆弱，如果要放在心臟上，它跟心臟一起動，就會斷。因此，新一代的晶體管，除了具備電子功能，也要韌性、柔性和可拉伸性?，F(xiàn)在的晶體管完全可以貼到人的皮膚上面，做成透明的集成電路，做到柔性、可伸縮性、可生物降解性和自愈性。如果做到，就可以開拓新的方向。
1 如何實現(xiàn)遠大目標？
要實現(xiàn)這個長遠的目標，已有的技術到了什么程度？有什么是缺乏的？這就是我們做研究非常重要的一點，長遠目標的思考可以使我們的思維更加活躍。我們設置的目標是20年后，我們能做出像皮膚一樣的器件。
它看起來、摸起來像人的皮膚一樣，和人的皮膚有一樣的功能，和神經中樞可以通訊，讓我們的大腦可以知道這個傳輸出來的信息。這個20年后的目標，現(xiàn)在貌似是一個科幻的目標，但是未來每五年要做什么，我們很清楚。
我們來分解下幾個目標：傳感器、電子電路（把傳感的信號變成電信號，使我們大腦可以理解傳輸來的信息是什么）。
我們要發(fā)明新的傳感器，要選擇軟性材料來做，做成可以觸摸的傳感器，這也是人的皮膚最重要的點，于是我們創(chuàng)造了超柔性的傳感器。這個傳感器感受壓力之后，因為是在橡膠里面加上金字塔形狀，很容易被壓縮，貼在身上的時候也可以做到拉伸性。這個傳感器的厚度可以做到比頭發(fā)還薄。
除了可觸摸、有溫度，還要有化學和生物的傳感。我們做人造皮膚的話，還可以增加新的功能，比如人造皮膚可以聞不同的味道，甚至可以把皮膚的信息紀錄下來，如病人自己在家里可以自己摸后就傳輸給醫(yī)生。
我們有了傳感器，又如何傳輸信號給大腦？當我們發(fā)現(xiàn)可行的器件之后，就接著開發(fā)可拉伸性、自愈性和可生物降解性的材料，現(xiàn)在這些材料還都不存在，我們是先證實這些概念，這樣接下來要發(fā)明的材料就有了目標性。
如何在分子結構上設計這些材料？如何用化學的方式合成這些材料，然后用一定的工藝放到電子器件里面？
我們已經做出可修復的導電材料，不但可修復，而且韌性非常強，不容易壞掉。我們的皮膚只能拉伸到一定程度，如果我們找到適當?shù)脑O計方式，材料不僅可以繼續(xù)導電，還可以拉伸非常多?，F(xiàn)在我們做的晶體管可以拉伸，彎來彎去，用釘子上去壓它，它的電流都可以保持不變，雖然給皮膚做，現(xiàn)在還很遙遠，但是它開啟了電子工業(yè)的新可能性。
通過之前多年一系列的研究，我們找到很多的材料：半導體材料、導電材料，可拉伸性、自愈性、可降解性的材料。我們現(xiàn)在把一個個基本材料都做出來了。當我們把材料和單個器件都做出來了，新的領域就可以實現(xiàn)。
我們前兩年都在做工藝方面，做工藝是非常艱難的，它的化學、物理、機械性能都和以前不一樣。要把印刷、大面積涂刷等工藝都用到新的產品上，需要我們自己全部去發(fā)明并應用。
我們現(xiàn)在已經有了一些工藝，可以讓我們做出小的晶體管陣列，每一個小點都是可拉伸性的，可以放在手上，這是一個大的突破。
另外還可以把傳感器都集成到機器人手上，讓機器人的觸摸和控制更加精確。我們在小鼠身上種植過，發(fā)現(xiàn)幾個月后沒有損害到它的身體。所以，也可以把電子器件放在心臟上，比如老人家的心臟跳動不整齊，以后會導致心衰等，病人也很難受。之所以不整齊，是因為心臟的細胞傳送的信息紊亂了，但是醫(yī)生不知道哪個部分是紊亂的，所以以前對心臟就用劃一刀的方式，割對了，就好了，割不對，就不好了。現(xiàn)在可以通過電子器件去準確判斷。
2 整合不同能力和資源
我是做化學和材料的，如果想去開發(fā)一些更多的新材料，我們在把工藝全都發(fā)展后，得找出電子電路應用最好的領域。各位做商業(yè)也是如此，發(fā)展出一個新的領域后，要去找非常適合的應用去驗證，這個領域才能往前發(fā)展，大家才會覺得這個領域有前景，然后獲得更多的投入。
我不可能自己去指導機器人、醫(yī)生，這就要找斯坦福校內相關的教授和專家，然后把工藝給他們，看他們是否可以用我的工藝，如果適合，就可以很好地合作。
為了能夠促進這個事情，就要把斯坦福里面每個人的不同能力和資源整合起來，大家就可以一起發(fā)現(xiàn)未來新的可能性。去年，我在斯坦福設立了“可穿戴科技中心”，把斯坦福各個系對穿戴器件有興趣的教授和學生集合在一起，一起去探討將來這個領域如何發(fā)展。
我需要會設計電子機械的人，需要會處理、分析和應用數(shù)據(jù)的人。我們后來和醫(yī)學院、設計學院等一起落地，大家因此可以一起圍繞一個大目標去行動，也會發(fā)現(xiàn)新的問題，然后再去解決。
可穿戴電子產品的定義很廣，智能手表的功能還是非常有限的。我們想做的是在任何表面、體外或體內可以用的。我們要努力去搜集的是對人有用的信息，人們才會長遠去用。最重要的是，人造皮膚的電子器件最需要的是普遍性、延續(xù)性，可以放在肌膚的任何地方，電子器件可以慢慢融入我們身體的表面和身體內。
設立這個中心之后，學院之間就可以合作了。設計學院有一位教授在蘋果做過8年設計師，來到斯坦福大學后，在設計學院d. school推廣的概念是“設計不光是在設計產品，而是可以應用在生活和研究中”。 可見設計的思維要有很清楚的目標，然后一步步實現(xiàn)。
于是他們去采訪了一些特別的人。有一個女孩在手指上種植了磁鐵，去采訪她時，我們所想要的東西就不會被平常思維的框框所框住。在過去，得憂郁癥的人，親戚朋友都無法在平常及時提供幫助。如果通過可穿戴設備，讓親戚朋友知道其精神的狀態(tài)，當需要幫助的時候，就可以得到幫助。
3 把智能手機顛覆掉
這是一個可以超越智能手機的世界。最重要的是，它會變成我們身體的一部分，幫助我們做以前做不到的事情，讓我們和周圍的世界有更好的信息交流。
智能手機出來之后，其它已有的產品，包括MP3、攝像機等等都受到顛覆性的影響。所以我們預測，如果柔性電子穿戴的工業(yè)發(fā)展起來，預計會把智能手機顛覆掉。
對于將來電子工業(yè)的發(fā)展趨勢，我們寫了一個評論文章到《自然》雜志，9月21日會發(fā)布出來，把這個未來的趨勢總結出來。我們中心就是在看這個趨勢，也和斯坦福其它不同新的中心合作，去找到和解決不同的重要的問題，可穿戴電子設備會顛覆傳統(tǒng)電子工業(yè)。
蘋果iWatch出來的時候，蘋果CEO庫克說，iWatch是第一次把電子器件放在我們的身上，這一類的電子器件以后會改變你我世界?，F(xiàn)在只是放在身上，以后會變成我們身體的一部分。
我們、杜克大學和谷歌聯(lián)合起來做一個十年的研究，幫一萬個病人帶可穿戴設備的電子器件，搜集每天的行動和健康數(shù)據(jù)，每三個月測試基因和血液變化，一直跟蹤十年。從心臟和癌癥的角度看身體和基因會怎么變化，為此總共投入了5億美元。
我們組了一個小團隊，有心理學家、計算機系、生物工程系等，設置的一個目標是關于人的精神健康。我們現(xiàn)在無法用醫(yī)療的手段測試憂郁癥以及不同癥狀的憂郁癥，我們一起研究可穿戴器件，看心理學家可否設置指標測試出憂郁癥以及特征。
我們和不同工業(yè)界也有一些合作，我們中心會收集一些會員，每年開兩次會議，和我們的教授溝通、合作。
4 意想不到的應用領域
柔性電子和人工皮膚，不光可以在想象的20年后實現(xiàn)，也可以在近期的交通、汽車、VR/AR有很多的應用。
新的材料和器件，在近期可以用到的領域還有哪些？
我們發(fā)現(xiàn)一些比較有趣的應用，比如柔性的透明電極，應用在手機和計算機屏幕上。目前所用的材料是一種無機的材料，彎曲比較多會裂開，不能多次彎曲。這是在我的課題組很多年前發(fā)明的材料，后來兩個學生認為對產業(yè)非常有希望，通過獲得MIT（麻省理工）20萬美金的獎，然后在硅谷設立了一家公司，找了一個CEO負責商業(yè)。現(xiàn)在公司已經有4輪投資，在韓國和日本有非常多的合作，今年的目標是在中國建廠，大部分客戶在韓國和日本。
人造皮膚不光在醫(yī)療、機器人上可以直接應用，也可以在一些我們意想不到的領域應用，比如在電池方面等。以前大顆粒的硅在膨脹后會損壞，沒有人把大顆粒的硅做成穩(wěn)定的鋰電池，我們后來交流后，會裂掉的硅電極使用了可自修復的材料之后，電極是否會穩(wěn)定？后來測試后，電極都很穩(wěn)定。
用鋁做電池是將來電動汽車的發(fā)展趨勢，但是直接用金屬鋁，它在生長的時候是一種刺狀的結構，就會著火，到目前都沒有解決，所以鋰電池用金屬鋁還做不到，然而現(xiàn)在用新材料涂在表面，鋁就不會發(fā)生刺狀生長，就會很穩(wěn)定。
大家知道，電池一旦過熱的時候，傳感器就會自己把電池斷掉，那就可以做成非常薄的薄膜放在電池里面，而且不被電池里面的化學用品腐蝕掉。
除了能源的應用，在醫(yī)療方面的應用，可以用在無線檢測方面，比如把它種植在腦殼里面。當腦子受到機械創(chuàng)傷的時候，萬一腦壓過大，就會有危險，那如何測腦壓呢？如果直接用穿透的方式植入，會比較疼痛，那么現(xiàn)在可以在做手術的時候直接植入，了解腦壓情況。
測壓力的場景還可以是通過連續(xù)測試血壓，測血壓的波形。用人造皮膚，我們在醫(yī)學院做了一些臨床實驗。用一個超薄的血壓計，套子壓住，套子里面有藍牙，測試出來的數(shù)據(jù)可以直接傳到電腦和手機里。我們用這種方式和醫(yī)院最標準的方式測出的數(shù)據(jù)非常吻合。以后我們戴著這個東西就可以預測血壓。這是我們最近新的公司，做連續(xù)性測血壓的產品。
另外意向不到的是人造皮膚在碳化之后變成花一樣，可以做超級電容器等。
5 沒有目標和有目標
闡述了這么多，就是想說明我們如何設置目標，然后通過不同的方式去發(fā)現(xiàn)目前欠缺的地方，通過各個應用領域給我們啟發(fā)點，讓我們重新創(chuàng)新。
常常有人問，你們學術界好像也做了很多跟應用有關的東西，學術界研究和工業(yè)界研究有什么不同呢？
不同之處在于目標方面，材料研究在學術界有兩種大的不同的研究方式。一種是沒有任何應用目標，想的只是做新材料，比如石墨烯。這個新材料一開始做的時候沒有想到任何應用，只是想到碳有多層結構，如果只有一層結構，是否有什么新的性質？這是做研究很常用的方式，不知道未來能干嘛，只知道它會有新的性質，新的性質出來之后再找到新的應用。
另外一種常用的方式就是設定一個目標，材料和應用本身是緊密結合的，材料最終是要被使用的，會用在不同的地方。因此我們會設計一個目標，給材料設置性能和指標，然后去做這個材料。
一個是沒有目標，一個是有目標，這兩個都是學術界常有的做材料研究的方式。這兩個都需要，因為如果我們沒有做創(chuàng)新的時候，不知道有新的創(chuàng)新；后者也需要，我們可以從某個領域的需求去創(chuàng)新，解決一些未來會發(fā)生的危機，比如新能源、水處理、新交通等等未來緊迫的事情。
工業(yè)界學術怎么做呢？它考慮的是3-5年近期的發(fā)展目標，而學術界的大目標設定在20年后。我給電子皮膚設定的是20年后的，但是后來發(fā)現(xiàn)在近期可以發(fā)生很多新的機會。
這是非常不同的地方。這樣的思維方式可以讓我們有更加多的創(chuàng)造力，我們奮戰(zhàn)的空間會更大，全是我們在自由地想象和確定新的方向。
另外一個，在貝爾實驗室和斯坦福做科研的一個重要體會是，創(chuàng)造和創(chuàng)新的環(huán)境是非常有關的。哈佛一個教授寫了創(chuàng)新者的幾個DNA：關聯(lián)能力、疑問能力、觀察能力、社交網(wǎng)絡、試驗能力。有了想法要去嘗試，然后才知道哪些是可行的，哪些是不可行的。我覺得是非常有共鳴的總結。
研究一段時間后，我也比較喜歡讀一類這樣的書，如何促進學生和員工具備創(chuàng)新能力？比如教室的安排，不同的座位方式使得學生和老師的交流方式很不一樣。一種是老師是權威，學生聽就可以；第二種是小桌子，大家全坐在一起，老師可以走來走去，大家彼此之間也可以有交流，可以有很多互動。不同的環(huán)境就導致不一樣的交流，而且顏色也很重要。環(huán)境對人的影響非常重要。我姐姐在Facebook工作，F(xiàn)acebook很鼓勵員工帶朋友去它們公司參觀和吃飯——它們的環(huán)境色彩豐富，讓人很舒服。
除了環(huán)境，人也很重要。我去了貝爾實驗室上班，那邊有很多諾爾貝獎得主，我很驚訝他們怎么有那么多發(fā)明，那里的儀器是那么陳舊。后來我發(fā)現(xiàn)實驗室的人很不一樣，每一個領域的專家都有，我可以在吃飯的時候和不同領域的專家去提問，他們都會很有耐心地和我解釋，還會手把手教我怎么做。一個地方的條件和設施可以不怎么好，但是好的人可以帶來更好的創(chuàng)新和發(fā)現(xiàn)。
（本文由鮑哲南教授在GASA大學硅谷行9月10日發(fā)表的演講整理而成，有部分刪改）
