鲍哲南:人造电子皮肤不是幻想 未来不再有智能机

科学家说
2018-04-20

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科学家说2018-04-20

鲍哲南,鲍哲南是斯坦福大学K.K. Lee化学工程学教授、化学教授和材料科学与工程教授。她是斯坦福大学可穿戴电子中心创始人和主任.在2004年加入斯坦福大学之前,她是1995-2004年朗讯科技贝尔实验室杰出技术人员。

鲍哲南是美国国家工程院院士和国家发明研究院的院士。鲍哲南因为她在人造电子皮肤上的工作至关重要被选为“自然”杂志2015年十大科技人物。她获得了2017年美国化学会应用聚合物科学奖,美国化工学会2014年Andreas Acrivos化学工程专业进步奖。

1、用电子皮肤一样的电子材料来做电子器件,不再是一个科幻的梦想,而是一个可能实现的事情。

2、电子皮肤是电子工业发展的一个趋势,可以激发我们的思考,让我们有更多的想象空间,可以激发发明出新的材料和新的技术。

3、电子器件就像皮肤一样,可以贴在我们的身体表面或者种植在皮肤下面,或者在身体里面,这样的传感系统就会像我们人的皮肤一样,可以帮助我们的生活和帮助我们更好的理解自己的身体状况。

4、下一代的电子不光是柔性的,而且有可拉伸性、自修复性还有生物降解性,我们认为电子皮肤是未来电子工业发展的一个不可避免的趋势。

5、电子皮肤还在起始阶段,更加需要基础的研究,从材料方面、工艺方面去研究这些新型的电子材料它们的电学性能和力学的关系,和怎样设计材料可以使得我们达到好的电学功能,也有好的力学功能。

某天早上,身上的电子皮肤会将你轻柔唤醒,告诉你今天的体征正常,可以开启新一天的工作;当你刷牙时,镜子会告诉你今天的天气和温度,应该穿什么样的衣服,如果感兴趣的话,还可以告诉你今天的新闻是什么;出门时不用想着带钥匙、拿手机…………

所有的这一切都不再只是想象,鲍哲南教授近期在柔性电子领域的突破让人类离这样新型科技社会更进了一步。正如鲍哲南教授所说,智能手机是现在,而人造电子皮肤是未来,是下一代电子工业发展的方向,而且是不可避免的一个趋势。

2018年2月份,在英国《自然》杂志上,鲍哲南科研团队宣布他们在柔性电子领域实现了制造工艺的新突破,首次成功开发出易量产的高密度、高灵敏度可拉伸晶体管阵列。

“为了实现新模式的电子器件和最终电子产品,我们先从发展新电子材料开始,有了电子材料后还要把工艺做出来。”鲍哲南解释道:“集成电路里面有很多层的不同的材料,这些不同的材料都必须要能够做成很小的不同形状,然后一层要叠加在另一层上,整个工艺有几十步到上百步的步骤,所以把工艺做成有很多技术上的难度。”

制造工艺的研发之路并不简单,据鲍哲南透露团队也是研究了8-10年的时间才把工艺做成。

“这个的意义非常重大。之所以非常重大是因为以前大家做的都是柔性电子,电子皮肤以前还不可以有拉伸性,而且不可以有集成电路。但集成电路对电子器件来说至关重要,因为显示屏幕、传感和计算都需要集成电路。而在柔性电子皮肤方面,这是第一次做到了这样的集成电路。”

这一步的成功证明了电子皮肤一样的电子材料来做电子器件是一个可以实现的事情,而不再是一个科幻的梦想。虽然目前只是集成了几十个晶体管到上千个晶体管,但至少人来已经开始迈出第一步。

对于未来电子皮肤的发展,鲍哲南曾经说过智能手机是现在,但将来将会是由人造电子皮肤实现的BodyNet人体网络。因此,电子皮肤是将来电子工业发展的一个方向和趋势,可以激发人类的思考,让人类有更多的想象空间,可以发明出新的材料和新的技术。

“比如触觉传感器,可以做一种可测血压的产品;还有一些可拉伸性的材料,有非常强的硬度和非常好的自修复性功能,这些材料可以用到锂电池里,使得锂电池可以有高容量,而且可以持续充放电时间更久。这些是早期可以实现的一些应用。”鲍哲南举例道。

以下是对鲍哲南教授的采访实录:

1、可以分享一下《nature》发表柔性电子领域的一大突破的背景和研发过程吗?

鲍哲南:这是我们多年的积累而做成的,其主要是第一次做成可拉伸性的有机半导体的集成电路,这个意义非常重大。之所以非常重大是因为以前大家做的都是柔性电子,电子皮肤以前还不可以有拉伸性,而且不可以有集成电路,集成电路的重要性就是所有的电子器件需要晶体管集成起来,才可以实现如做显示屏幕、做传感、计算的功能。在做柔性电子皮肤电子器件方面,这是第一次做到了这样的集成电路。

虽然我们的集成还只是做到能够有几十个晶体管到上千个晶体管,但是这是一个起始点。

2、这一项目历经了多长时间?期间遇到了怎样的困难,遇到了哪些瓶颈?如何实现的突破?

鲍哲南:其实我们是在做一种新模式的电子器件和最终电子产品,我们需要从发展材料开始,有了这些新的电子材料之后,还需要再把工艺能够做出来。集成电路里面有很多层的不同的材料,这些不同的材料都必须要能够做成很小的不同形状的材料,然后一层要叠加在另一层上,整个工艺有几十步到上百步的步骤,所以把工艺做成有很多技术上的难度。这些都是通过前面八到十年的研究,才做到今天这样子的结果。

3、这一项目是首次成功开发出更易量产的高密度、高灵敏度、可拉伸晶体管阵列,这一研究的意义是什么?

鲍哲南:就像我前面说的,电子产品都是需要有很多晶体管集成在一起,才可以有它的功能。所以能够走到这一步证明用电子皮肤一样的电子材料来做电子器件,是一个可以实现的事情,而不再是一个科幻的梦想。电子皮肤的实现只是时间问题,把这个集成越做越大,功能越做越多,我们证明了第一步。

4、电子皮肤在现实中发展到怎样的阶段了?

鲍哲南:电子皮肤作会是将来最终电子工业发展的一个方向和一个趋势,可以激发我们的思考,有更多的想象空间,可以发明出新的材料和新的技术。

但是这些材料和技术在近期也会有一些非常有价值的应用,比如触觉传感器,可以做一种可测血压的产品;还有一些可拉伸性的材料,有非常强的硬度和非常好的自修复性功能,这些材料可以用到锂电池里,使得锂电池可以有高容量,而且可以持续充放电时间更久;这些都是早期可以实现的一些应用。

5、电子皮肤如何改变我们的生活?

鲍哲南:我觉得电子皮肤是电子工业的变革性的方向,基本的理念就是把传感和信号处理,和信号传输结合在一起,但是这些电子器件并不是像现在已有的比如说可穿戴的手表,而是说就像皮肤一样,可以贴在我们的皮肤表面或者种植在皮肤下面,或者在身体里面,这样的话整个这些传感系统就会像我们人的皮肤一样,跟人非常接近,可以帮助我们的生活和帮助更好的理解身体状况。如果不是在人的身上,也可以是在建筑物表面,可以在飞机表面,或者是在机器人的身体表面。

所以这个理念可以运用在各种不同的体系里面,都包括传感和信号处理和信号传输,这个是我们的最基本的理念。

电子皮肤我们认为这个是未来电子工业发展的一个不可避免的趋势。

6、电子皮肤要落地实现需要实现哪些突破?还有哪些问题?

鲍哲南:其实这个领域还是正在起始阶段。

从基础学科的角度来说,需要更加多的基础的研究,从材料方面、工艺方面去研究这些新型的电子材料的电学性能和力学的关系,和怎样设计材料可以使得我们达到好的电学功能,好的力学功能,这些都是新的材料设计的挑战,需要很多基础研究。

然后从工艺的角度上,虽然我们最近自然杂志上发表了第一个集成新型材料,但是这个只是起始阶段,还需要进一步实现更复杂、更大型的集成电路方式。

从应用的角度上来说,电子皮肤可以像科幻电影一样,可以是一个非常复杂的就像人的皮肤一样,非常复杂的系统。但还是需要能够找到一个应用的路线图,路线图必须要先从简单的应用出发,应用一些已有的发明出来的材料和器件,这样先有简单的应用制造出产品,然后慢慢再到更加越来越复杂的系统性的应用,所以开发这样的应用前景也是一个非常重要的方向,需要去研究。

7、大家使用的智能手机都在提柔性电子屏幕,对于这些研究和应用,您有何看法?

鲍哲南:关于柔性电子屏幕和手机,这个我觉得是不可阻挡的趋势,二十年前我在贝尔实验室开始研究的时候,那时候在设立柔性电子的未来。那时候柔性电子是一个科幻型的未来,但是现在柔性电子已经可以看到是必然会实现的,只是一个时间问题,这些所提到的公司,他们应该会在比较近期内就可以实现这个。

所以人造电子皮肤,是再下一代的电子,这些电子不光是柔性,而且有可拉伸性、自修复性还有生物降解性,所以这是将来的电子工业发展的一个趋势。

我觉得是现在人造皮肤的发展,就像我刚刚20年前开始做柔性电子那时候的一个情形,现在正是一个领域起始的阶段,所以令人非常兴奋,因为有很多有趣的科学问题需要解决,这个是之所以我们着重在这个方向。

8、石墨烯一直是个热词,您怎么看待石墨烯在电子方面的应用与发展?

鲍哲南:电池的研究之所以我的课题组会介入这个,是因为电子皮肤所有的电子器件能量的来源是一个必不可少的,所以我们所解决的问题里面有集成电路,但是集成电路或者这些显示屏幕都需要有电池来给它提供电源,所以这个是我们必须要考虑的问题。而这些电源的话,如果我们把集成电路做成像人的皮肤一样可拉伸性,这些电池也得有一定的可拉伸性,也像皮肤一样。所以这个又是新的挑战,但是从材料研究方面,很多材料是可以互相借鉴的,所以我的研究课题组也有一部分研究是致力于可拉伸性的电池和一些当前电动汽车的电池的研究。

对于石墨烯的研究来说,石墨烯是一个非常有趣的材料,我觉得最重要的是要发掘这个材料的优越性和缺陷,找到适当的地方,这个材料最适合的应用的地方。所以石墨烯我觉得因为它有很多很特殊的性能,现在的基础研究让我们更加了解这个材料的性能,只有通过这些基础研究,我们才可以知道在什么地方石墨烯是最适合应用的。从这个基础研究现在已经得到了很多很重要的信息,所以现在可能是一个在转折的过程中,从基础研究可以分析什么样的地方应用这些材料是最适合的。

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