作者:沈春蕾 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/4/26 14:39:25
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人造电子皮肤:假肢使用者重获触觉

 

一袭丝绒长裙,一身优雅气质,鲍哲南和另外4位女科学家于日前一起摘获了2017年度“世界杰出女科学家奖”。

鲍哲南,美国斯坦福大学化学工程系华人教授,人造电子皮肤的发明者。正是因为有了鲍哲南的发明,假肢使用者又能重新拥有触觉。她的研究致力于以电导材料替换传统聚合物,从而创造具备人体皮肤触觉功能的电子皮肤。鲍哲南告诉《中国科学报》记者:“这种皮肤的潜在应用即将问世。”

皮肤需要的传感器

鲍哲南向记者展示了她团队合成的一种弹性体材料,并介绍:“我们将其用作聚合物粘合剂和电池的电解质。将这块聚合物装入电池中,电池内部就具备了用于存储和传输锂离子的所有材料。这种材料硬度很高,但如果用力拉它,又会展现出柔性和延展性。”

鲍哲南团队研制的材料还具有我修复功能,她说:“如果我们划拉或者切割它,然后再将它们重新放置在一起,断裂的化学键可以重新连接将材料修复为一个整体。”

她用手机屏幕打了个比方,手机屏是玻璃的,它没有自我修复能力。但如果我们采用塑料,当然这种塑料不是完全透明的,还是有颜色的,当有划伤时,材料可自我修复,那么我们的手机屏就不会出现划痕了。

鲍哲南总结了自己团队研发的材料,它们不仅是高电导性和高透性的,与以往的透明导电材料相比,这类材料还具有弯曲性、韧性和柔性。“因此,我们的材料将来可用于制造柔性显示器。现在有一些导电材料可替代玻璃甚至是塑料,但如果将其弯曲,可能会被折断或出现裂纹,而我们的材料强度非常高。”她补充道。

“我们始终在柔性电子材料领域寻找令人兴奋的新机会。”鲍哲南说。早在8、9年前,鲍哲南团队就开始致力于传感器的开发工作,包括压力传感器和触觉传感器,其后,她们还开发出了温度传感器和湿度传感器。“然后突然有一天,所有的一切似乎都汇集起来,我联想到,这些装置正是我们的皮肤所需要的传感器。”

来自柔性电子的挑战

硅在各行业的应用已有60多年的悠久历史,尤其对半导体行业的发展做出了重大贡献。鲍哲南团队研发的目标不是取代硅,而是寻找新的可能性机遇,创造一种新的电子产品形式。“这是一个美好的梦想,但要梦想成真通常意味着迎接挑战。”她感叹道。

鲍哲南不想为她的梦想设界,而是希望让梦想走得更远。“例如,我们的手具有感知和触摸能力。也许通过我们制造的这些人造皮肤,可使我们的手也能‘看见’——这是我们现在所不具备的功能。”她说,“我们只能用眼睛看东西或通过触摸感知事物,如果我们制造出人造皮肤,也许我们不仅可以靠触摸感受,甚至可以靠触摸‘看’东西。”

用户可能说:“我在电脑或应用程序中写道,就是这些特性:我希望它的长度可拉伸至两倍,我希望它在一个月内降解,我希望它在一分钟内自我修复。然后,我们就能够开发出按照这一特性设计的材料。”这是鲍哲南团队的长期目标。

在不久的将来,鲍哲南的人造皮肤主要应用是假肢,这可帮助失去四肢的人恢复触觉。鲍哲南希望自己开发的材料可用于可穿戴电子设备,并完美贴合肌肤,仿若无物。“在某些情况下,我们甚至看不到它,但可穿戴电子设备可以测量我们的人体或健康状况,并提供关于我们活动和健康状况的信息。”

多年的研究实践也让鲍哲南发现,在柔性电子材料领域里面,挑战有很多。鲍哲南想要的这些电子器件要模拟人的皮肤的性能,该性能有拉伸性、自修复性,还有可以生物降解性,而现在的电子器件都是用硬性的材料做的,很难实现这些性能。“因此,要做成皮肤一样的电子器件,先要发明新的材料,也就是要从分子设计的方面去实现。”

鲍哲南解释道:“我们需要让这些材料可以感受,有知觉,有触觉,可以感受到周围的温度和不同的环境,所以,我们设计了像金字塔一样形状的传感器,这个金字塔传感器具有很高的灵敏度,如果温度改变时电信号也会改变。”

鲍哲南团队在研发柔性材料过程遇到的最大挑战是将上述电信号通过神经中枢传输到大脑,然后大脑必须能够理解这些电信号,所以这些电信号需要有一定的传输方式和形状。“那我们还需要设计一些电子电路,将测试到的信号变成大脑可以理解的信号,并且在动物大脑成功演示。”

在鲍哲南的看来,人造皮肤的愿景可以使她打破挑战,梦想成真。

改变人类生活的研究

鲍哲南是1990年去的美国,当时她在国内读大三,到了美国一边打工一边读书,她很感谢芝加哥大学的一位中国教授,给她指了一条明路。“教授接受了我进入芝加哥大学,虽然当时我只有本科学位。”

1995年,鲍哲南获芝加哥大学博士学位后进入贝尔实验室,她的研究是柔性电子和软性电子这方面。鲍哲南告诉记者:“在贝尔实验室做了8年研究之后,我希望做一些可以改变人类生活的研究。”

2003年,比较喜欢和学生一起工作的鲍哲南去了斯坦福大学,并选择了柔性电子,用她的话说是:“人造皮肤既可以造福人类,也可以大大的拓宽柔性电子的这个领域,而且有可能颠覆整个电子工业的发展前景,所以我选择了这个方向。”

早在鲍哲南去到贝尔实验室之后,在她和物理学家,电子工程学家一起工作中意识到,只有和跨学科的工作者一起工作,才可以开展跨越性的研究。

鲍哲南指出:“我做科研的目标并不是得某个奖,而是希望达到科学的最高境界,能够用我所做出来的研究成果去帮助人类,如果用得奖作为目标的话,就很难尽心做研究。”

 
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