史丹福大學鮑哲南教授:人造皮膚將改變我們的生活

2020-12-05 DeepTech深科技

11 月 7 日,2020 騰訊科學 WE 大會正式舉行。化學家、史丹福大學化學工程系系主任鮑哲南教授帶來了關於 「人造皮膚」 的設想。

「我們將會用像人造皮膚一樣的電子器件,讓人和人之間溝通。」 這位被譽為人造皮膚領域的 「材料大師」 說道。在她看來,這並不是一個遙不可及的夢想,因為過去電子工業的發展已經證明了材料革新的可能性:25 年以前,可摺疊的屏幕是鮑哲南的夢想。經過 8 年的研究,他們已做出了世界上第一款可以摺疊的屏幕。

鮑哲南在演講中介紹,「人造皮膚」 成為現實需要解決三個最重要的問題:第一,所用的電子材料不能再是剛硬的,必須把材料做成像皮膚一樣的柔軟,可以拉伸甚至自修復、生物降解;第二,「人造皮膚」 需要能夠真正感受到不同的物體;第三,「人造皮膚」 的信號需要能夠被大腦識別。

「前 16 年的研究著重解決這三個最重要的問題,非常感謝我的學生們和合作者們,我們有了重大突破。」 鮑哲南介紹了她的團隊所做的突破性工作。

「當分子排列成不同的序列的時候,它們會給分子不同的性能。」 鮑哲南團隊通過分子的設計得到了不同的材料,「當我們有了分子的設計,然後用化學反應去製作出材料的時候,我們才可以去實現不同的性能。」 為了解決材料化學鍵易斷裂的問題,她的團隊提出用可以自我修復的化學鍵去製作新型的電子材料,即使電子材料的化學鍵斷裂之後,它們也會自己重新修復,從而具備可拉伸性、自修復性以及生物降解的性能。此外,他們還開發了光化學的研究,把材料做成陣列型,加入電子電路。

鮑哲南說:「有了材料之後,下一步需要做的是將這些材料做成靈敏的傳感器。它既需要有靈敏度,也需要可以分辨不同的外界的信號。」 他們早期開發了一個可以測壓力的金字塔型傳感器。當傳感器的塔尖受到壓力的時候,塔尖變形使得電信號改變;壓力加大時,塔底變形使得電信號的改變加大,這樣就可以測出不同的壓力。除了分辨壓力外,「人造皮膚」 還要能辨別形狀。「在壓力傳感器上,我們再加一層可以變形的薄膜,就可以測出這個變形,使得我們可以分辨出是一個草莓還是再測一個蘋果。」 她介紹說。他們還開發了一個溫度傳感器,當溫度升高的時候,該材料會膨脹使金屬顆粒分開,從而讓導電力發生變化。

最後一步是讓 「人造皮膚」 的信號被大腦識別。「我們大腦所接受的從皮膚來的信號是電的脈衝信號,所以我們所做的人造皮膚也必須能夠把傳感器所得到的信號改變成這樣子的脈衝的信號。」 鮑哲南解釋道。有了這個信號之後,還需要把它與神經相連,通過神經傳輸到大腦。「所以人造皮膚必須非常柔軟,必須不傷害到我們的神經或者大腦。」 她補充說。

該研究已經取得了實質性進展。他們把材料植入小老鼠的身體,小老鼠仍可以正常地生活,這證明 「人造皮膚」 確實可以和生物體系相容。雖然要真正用到人的身上還需要一段時間,但已經證實 「人造皮膚」 理念的可行性。鮑哲南說:「我們現在已經有一系列的材料和電子器件,使得我們可以證實人造皮膚是可以做成的。」

雖然仍有很多問題需要繼續研究,但 「人造皮膚」 已經給他們帶來了很多意想不到的啟發。「用人造皮膚,現在可以做成連續的、測量血壓的,輕輕貼在小嬰兒身上這樣的血壓計。」 鮑哲南舉了血壓計的例子。她幫助成立了一家名為 Primers 的公司,希望用人造皮膚幫助人類解決一些以前不可以解決的問題,比如使用自修復材料讓電動汽車的鋰電池變得更加穩定,實現高能量的儲電。

她的課題組聚集了一批專家,共同推進人造皮膚的研究。「我現在可以非常有信心地說,人造皮膚將會改變我們將來的生活。」 鮑哲南最後說道。

除化學家鮑哲南外,參與大會的科學家還有諾貝爾獎獲得者 Steven Weinberg、幹細胞生物學家中內啟光、腦機接口權威專家 Miguel Nicolelis、量子物理學家潘建偉、天體物理學家 Victoria Kaspi、天文學家 Jane Greaves 。七位科學家從異種培育人體器官到金星生命,在騰訊科學 WE 大會上分享研究進展,用前沿科學拓寬人體和宇宙邊界,探索人類未來更多可能性。

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