對話史丹福大學鮑哲南教授:ACS首位顛覆者和創新者獎得主

2020-12-01 騰訊網

近日，史丹福大學鮑哲南教授成為「ACS Central Science Disruptors & Innovators Prize(顛覆者和創新者獎)」首位獲獎者。這一獎項旨在表彰在推動科學進步方面做出顛覆性突破的科學家。鮑哲南教授因「在導電聚合物分子設計及其應用領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方面的突出進展」而獲獎。她在這一領域的工作包括可拉伸電路、柔性電池和醫用植入物與生物組織連接材料的開發。利用這些可拉伸電子材料可以構建與活體組織接合的器件，這種電子皮膚可應用於人體假肢和機器人。

Credit: Courtesy of Zhenan Bao.

鮑哲南博士曾在貝爾實驗室從事柔性顯示器研究工作，於2004年進入史丹福大學任教。美國化學會出版社《化學與化工新聞》雜誌（C&EN）的自由撰稿人Neil Savage曾與鮑哲南教授聊過她在電子皮膚領域的工作，以及與之相關的其它所有話題。

Neil

你的團隊工作的動力是什麼？

鮑哲南

我們致力於改變電子器件的未來。目前的電子產品都是硬性且易碎的。我們設想在未來，電子設備將與我們穿在身上的、附著或植入體內的東西融合在一起。作為一名訓練有素的化學家，了解能夠應用於新一代電子產品的分子設計是我的激情所在。

Neil

你是如何開始關注電子皮膚的？

鮑哲南

20年前，我開始在貝爾實驗室工作時，我的夢想是製作可摺疊顯示器。進入斯坦福後，我想做一些更深入的事情。一位機械工程專業的同事正在製造一種能夠爬牆的蟑螂機器人。但每當蟑螂機器人爬到牆頂，就會掉下來，因為它沒有傳感反饋。從那時起，我對能夠感知觸覺的傳感器產生了興趣。我認為這個領域很適合應用柔性電子技術並可潛在地借鑑生物系統。

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，來定義我們將要設計和製造的電子產品的屬性和功能。

Neil

你們是如何製造電子皮膚的？

鮑哲南

我們使用以聚合物為基礎的電子材料，因為通過設計它們可以擁有類似皮膚的特性。傳統觀點認為，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構。然而，對於可拉伸電子器件，我們需要將大比例的非晶疇與小比例的晶疇融合。因此，我們必須找出設計半導體的新方法，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

如何製造出具有所需特性的半導體？

鮑哲南

我們採用的一個概念是在聚合物半導體中加入動態化學鍵。這些動態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，張力消除後能夠重新連接。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。但如果動態鍵在拉伸過程中斷裂，它們會消耗機械能，而不是破壞共價鍵。最後，當張力消除後，聚合物能夠回到原初狀態，動態鍵也能夠重新連接。動態鍵在一些應用中已得到運用。我們面臨的挑戰是設計出能夠同時提供良好電荷傳輸的分子。

我們還發現，當將半導體聚合物薄膜製成納米結構時，其延展性比本體聚合物要好得多。因此，我們開發出了從適當選擇的聚合物共混物中形成聚合物半導體納米纖維的方法。現在，我們已得到多種可拉伸、高性能的半導體聚合物，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，我們還需要開發一種製版工藝，為每種類型的材料製作貼片，供我們搭建電路。現在，我們可以一次製造數千個電晶體，而我們搭建的功能電路塊能容納幾十個電晶體。

Neil

電子皮膚真的能再現觸覺嗎？

鮑哲南

分屬若干類型的許多機械感受器發出各種信號，觸覺就是通過這些信號組合而產生的。我們正在嘗試以電子皮膚傳感器的輸出模仿皮膚機械感受器所產生的輸出。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換成電脈衝的電路。脈衝電信號基本上都是生物機械感受器產生的信號。我們希望我們的電子皮膚能在使用電脈衝刺激神經時產生觸覺。但這還有待測試，我們現在製造的電子皮膚在傳感器數量和信號處理能力方面還無法與人類皮膚的複雜性相匹配。我們很快就能實現將各種不同類型的傳感器集成到電子皮膚上，它們都能產生類似神經的信號。

我們的願景是，最終製造出與生命系統直接通訊的電子設備。幫助佩戴假肢的人重獲觸覺將會產生重要影響。

Neil

距離實現這種電子皮膚還有多遠的路要走？

鮑哲南

剛才說的是長期願景，但從短期來看，我們開發的傳感器已經促成了無創持續監測可穿戴設備的產生。例如，血壓監測設備的生產已發展成一家子公司(PyrAmes)。我們正在開發其他可穿戴傳感器，通過監測人體汗液或唾液中的化學物質來感知人的壓力水平。這些與電路相結合的傳感器有可能用作機器人皮膚，促進機器人與人類的安全合作。

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