史丹福大學鮑哲南教授與「人造皮膚」 科學的柔韌力量

2021-02-15 高分子科技

按照鮑哲南的說法,研發柔性電極並將其用於人造皮膚研發,有三個坎要過。「我們現在的電子器件都是用硬性材料做的,在測量中樞神經電流、心臟電流時,植入大腦或心臟的電極可能損壞神經或心臟組織。跟神經接觸的電極必須像皮膚一樣柔軟,但這種材料之前不存在。所以,我們做的一件事情就是把這種柔性材料做出來。」根據《科學進展》的報告,鮑哲南團隊曾經選中了一種具有生物相容性,又有很強導電性的塑料。鮑哲南解釋說:「之所以選擇這種材料,是為保證電極與人體接觸時的安全性。」但這種塑料比較脆弱,很容易碎裂,完全不適合作為可穿戴電子器件的載體。

為了增強這種塑料的韌性和承載能力,鮑哲南和她的團隊嘗試用一種類似肥皂表面活性劑的分子作為添加劑對材料進行了改良,徹底改變了塑料分子之間的作用力。「由分子形成的小顆粒狀形貌在添加劑的作用下變成了漁網狀形貌。漁網狀形貌具有很高的結構穩定性,從而使原本脆弱的高分子材料變得有韌性,而且極易拉伸。」經過測試,改良後的新材料拉伸到原長度的兩倍,仍能保持良好的導電率。

第二個坎就是讓材料擁有人類的觸覺和感知力。「為了解決觸覺問題,我們特別設計了像金字塔一樣的形狀的傳感器,這種傳感器比人類的頭髮細100倍。附在柔性的材料上,它們仍具有很強的敏感度。」在解決感知力的問題上,鮑哲南團隊找尋到了一些電子電路材料,一旦溫度或者環境因素發生變化,這些電信號就會發生改變。

「最後一個挑戰是,讓傳感器和電信號的信息及時通過神經中樞傳輸到大腦,而大腦也必須理解這些電信號是什麼含義。」按照鮑哲南的解釋,這就決定了電信號必須以一定的傳輸方式和一定的形狀和大腦「接觸」。「所以我們必須設計電子電路,讓它們最終變成大腦可以可以理解的信號。」柔性電極已經進入了動物大腦感知驗證階段。

儘管柔性電極材料可供人類使用的電子皮膚還需時日,但它已經開始發揮現實應用價值。鮑哲南舉例說,柔性電極中的觸覺傳感器可以被用來測試脈搏的跳動,將其變成血壓的信息。而其溫度傳感器,則可以擔當鋰電池充電時的高溫保護裝置,一旦出現過熱、超熱,溫度傳感器會自動檢測並及時切斷電源,這種材料的自我修復功能甚至可以讓電動汽車的鋰電池更加穩定。

柔性電極是鮑哲南多年來在化學工程領域耕耘的結果。跟隨華裔高分子化學家於魯平,鮑哲南接觸到了學科交叉領域最前沿的研究。「這種感受就像一扇新奇無比的科學之門在你面前徐徐打開。」此時,鮑哲南對化學已經有了另一層領悟。「當更深入地走進科學的世界,你會發現,去理解這些公式、理解這些數據是非常必要的。當我意識到了這一點後,數據和公式在我眼中不再顯得那麼枯燥和抽象,因為,它們是解決具體的問題的方式之一。」

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