全球顶级女科学家鲍哲南:柔性电子将“颠覆”智能手机时代 | 笔记

摘要: 一个新型科技,只要找对人的需求,就可以颠覆整个已有的工业。

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混沌大学2017年商业创新第32课

20年后,也许你的生活将是这样的:


你脉搏上的电子皮肤,能随时监测心率、血糖,实现智能把脉;


喉咙上的电子皮肤,通过感受咽喉肌肉运动产生的压力变化,为聋哑人“发声”;


你的整个身体或将成为一个网络中心,体内的传感器跟外界产生连接……


这些看起来很遥远,但其实正在边缘地带,悄悄孕育着,并且极有可能成为当下智能手机时代的颠覆者。


因人造皮肤开发而闻名于世的全球顶级华人女科学家鲍哲南,在混沌大学的课程中说,像人类皮肤一样柔软的柔性电子器件,将是电子工业下一个发展的大趋势,甚至有可能颠覆智能手机。


*以下根据鲍哲南9月16日在混沌大学的课程《柔性电子变成人类皮肤》整理而成。



授课老师|鲍哲南

斯坦福大学教授、世界杰出女科学家奖获得者


如果说摩尔定律几乎已达到物理极限,那么未来的电子工业出路会在哪里?我认为,新的材料、新的器件将会开辟一个全新电子工业的基本元素。


在混沌大学的这次课程中,我将为各位同学介绍人造皮肤——这个可以在电子工业中开启全新领域的材料,到底如何产生,又将会为工业产业带来怎样的转变。


未来电子工业:

不一定很硬,也可以柔软


我们都知道,电子工业的开端是贝尔实验室发明了晶体管。博士毕业后,我曾在那里工作了八年,也在那里确定了我研究的大方向。


在贝尔实验室诞生的13个诺贝尔奖中,晶体管是第一个。


晶体管是什么?简单说,就是一个电子器件,类似于一个小开关。计算机芯片的运转,以及显示屏幕会转换画面,都是因为有它。


晶体管之所以能蓬勃发展,有一个重要的关键点,就是发现了可以用便宜的材料——“硅”,来做晶体管。要知道,晶体管最开始做出来的时候,所用的材料并不是可以生产的材料。


后来,英特尔又发现了怎么样可以把晶体管集成,做在一片衬底上。也就是说,一个很大的电子器件,可以把它做得非常小,全是薄膜型,做在一片衬底上;在同样一个衬底上放得晶体管约多,卖的小芯片越多,赚得钱就越多。


于是,英特尔创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)提出了电子工业发展领域重要的经济规律——摩尔定律,即当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。。


直到现在,芯片可以做到7纳米,比我们的头发还要细(备注:人类头发一般在100微米以内),如果再缩小,就是原子级了,几乎已达到物理极限。那么,未来,电子工业还有什么出路?


其实,除了越来越小之外,电子工业还有另外一个很重要的发展趋势,就是可以把电子产品做成更加多样化、多形化。


比如说,这些电子的器件产品或者传感器,并不一定要很硬的,也可以很柔软。我们可以想像,可以把它放在心脏上,检测心脏的电流,或者做可弯曲的屏幕。



所以,如果要让电子工业有一个新的突破的话,我们所用的电子材料完全要变掉。因为现在的电子材料都是硬的,硅就像玻璃一样,容易碎。


如果要穿在身上,要折叠,要放在器官上面的话,这些电子器件要能够有很好的电子功能,而且还要跟着我们身体一起移动,否则就会很不舒服。


这些来自工业发展的需求就形成了我研究的大目标:用新的材料、新的器件,让电子工业有新的发展可能性。


那么,我们需要的这种新材料,有什么可能的实现方式呢?


可能一:可以把硅片做得非常非常薄,变得可以弯曲。但缺点是不能拉伸,放在软组织上,还是会伤害到软组织。


可能二:可以用塑料,但电学性能有限。


不过,我们也可以通过科学的手段,改变塑料的分子结构,使这些柔性材料变成像硅一样,有好的电子性能,这样的柔性电子就成为了我加入贝尔实验室后确定的大方向。


人造皮肤要怎么实现?

这条路是可以走通的,

只是时间问题


当2004年我到斯坦福大学工作的时候,我已经从事柔性电子的研究已经8年时间,这个领域仍然非常空旷,我的成果应用在了显示屏、集成电路等领域,但我更希望能够做一项研究,可以触动每个人的生命。但这个研究是什么,我并没有很清楚。


做科研总是需要有启发点,我的启发点是人的皮肤。


这个启发点来得非常偶然。在我到斯坦福大学的第二年,机械系在做一个可以像蟑螂一样爬的机器人,我看到后觉得这真是太酷了,于是跟开发这个机器人的教授谈,爬得那样好的机器人还有没有未解决的问题。


这位教授说,当“蟑螂”向上爬到墙顶时,墙没有了,但它的爪子却感受不到,没东西抓就掉下来了。他提出了一个机器人领域里很重要的问题,就是缺少一种能让机器人有感觉的柔软、很薄的“皮肤”。


这便形成了我们想做的电子材料:有柔性、拉伸性,能够传感,这都是人类皮肤所拥有的特性。更有意思的是,皮肤还有生物降解性,并且如果皮肤有划痕了,它自己还可以把疤痕慢慢去掉,进行自修复。


我想,如果模拟皮肤的这些功能,并全加入电子材料,实现了这个简单的概念,我们就可以实现开辟一个新的电子工业时代最基本一些元素。而这,也成为了我们进行科学研究的灵感和动力来源。


那么,人造皮肤,需要有哪些最主要的部分呢?



  • 传感。因为需要像皮肤一样能够触摸和感知。


  • 电子电路。因为这些感受的信号,需要用它转换成我们大脑所可以理解的信号。


首先,传感该怎么做到?有以下几种方式:


  • 可触摸的传感器。


目前大部分方式做出来的可触摸传感器,要么是硬化的,要么是太厚,要么是不可弯曲,不够灵敏,有各种问题。


我们的解决方案是把橡胶做成像小金字塔一样的形状。这个金字塔的塔尖非常柔软,你一压塔尖,就很容易改变形状,进而改变电容。于是,你就有了触摸感。


  • 测温度的传感器。


这样的传感器是用一些导电的小颗粒和一些高分子的材料混合在一起。当加热的时候,高分子材料就会热膨胀,改变小颗粒之间的距离,进而改变导电性。


  • 化学和生物传感器。


想象一下,如果你手上的皮肤可以感知化学分子或者生物分子的话,也许你可以给自己做身体检查。看到皮肤上有一个痣,颜色不太对,也许你摸一下就可以知道这个是不是癌症细胞,或者你在触摸桌子的时候,就可知道这个桌子表面是否有细菌。


有了传感器,大脑是否可以真正理解这个信号?如果可以,那么这条路就是可以走通的,只是时间问题。


于是,我们做了第一代的人工机械感受器,通过感受压力产生一系列的电信号。这些信号,大脑是否可以真正理解,我们用老鼠的脑子切片作了实验。



我们用生物工程的方式,改变了脑子切片某个部位的细胞,是它对光学感受有灵敏性。然后,把电信号输入到一个光纤里面,测试脑切片对这个光信号是否有反应,进而确认这个脑子是否可以理解我们传给它的信号。


现在,我们可以证实,用这个人工机械感受器,可以达到像人的皮肤一样的感受功能,而且可以和大脑联络。


有了这个传感器后,我们开始进行进一步的材料设计:


比如,快速自愈电子聚合物,可以导电也可以自我修复;可伸缩的晶体管,即便弯来弯去,也不会改变它的导电性;还有可生物降解的半导体材料,用这个材料做电子电路如果植入体内,我们可以控制它的分子结构,使得它在一定的时间内慢慢地生物降解。


为满足个性化需求,人造皮肤也可以是蝴蝶状。


这些材料的功能,是已有的电子器件所做不到的,所以我觉得,这将开始一个新的可能性。


未来的大趋势:

“颠覆”智能手机时代


在有了新材料后,我们会想象它的前景。


第一步,先是穿着在身上,智能服装,然后,下一步是在皮肤表面,最终甚至会植入我们的身体。这是我们认为的一个可能的发展趋势。


现在是智能手机时代,但它还是一个很硬性的电子器件,包括现在的iWatch、谷歌眼镜、VR。但在未来,我们就要进入一个新的区域,即弹性电子、人造皮肤时代。


但是未来,可穿戴的科技必须要着重于提升功能,如果没有增加新功能,就没有人会去需要它。


所以,我们设想的未来,是这样的一个系统,在人的体内可能有一些传感器,即人工皮肤的电子器件,人体就相当于一个网络中心,与周围朋友、环境所联系。想象一下,也许20年后,你的生活可能是这样的:


早晨,身上的柔性电子皮肤手表让你醒来,并且告诉你脉搏正常;戴上眼镜,你可以了解今天的日程表,得知今天下午有一个会议;然后你走出房间,准备叫一个车,抬头看见,以后的车都是直升飞机,就告诉直升飞机下来接你;你的太太来跟你告别,透过太太身上的柔性电子器件,你可以知道太太心情很好……


我只想通过这个例子让你看到一个BodyNet(人体网络)。现在我们已经做出人造皮肤,这样的未来也不再只在想象当中。


智能手机之前,我们用数码相机拍照,用MP3听音乐,用GPS去找路……但当智能手机出来以后,很多已有的传统工业都被颠覆了。这说明,一个新型科技的发展,如果它找对人的需求的话,它就可以颠覆整个已有的工业。


而对于我们来说,智能手机是现在,将来是BodyNet。作为电子工业下一个发展的大趋势,基于柔性电子器件的BodyNet是否会颠覆智能手机呢?这是我们希望看到的。


延伸阅读

关于柔性电子近期可实现的部分案例


  • 柔性触摸屏


目前的手机屏幕,你触摸它,它就可以知道你所给予的信息,这是因为有一个透明的导电薄膜在里面。但这个用无机材料所做的薄膜很脆弱,容易裂掉,且导电率也受到一定的限制。


所以将来,要让手机屏幕变得更大,更透明,就需要新的透明的导电电极。


现在,我的两个学生已围绕此项目,创办了公司C3Nano,总部位于美国加州,客户主要在韩国和日本,他们做出产品,最终再送到美国。而且现在,公司在中国也已经开始建厂。


  • 储能电池


现在,我们对储能设备的需求非常大。但现在的电池,要么太厚,要么太重,要么价钱太高。特斯拉的车之所以这么贵,是因为车的一半价钱是在电池上。


当前所用的电池,是用碳来做电极的,每一个碳原子只能储藏六分之一个锂离子,所以它所储的电量是有限的。但如果把这个碳材料变成硅材料的话,每一个硅原子可以储存超过四个锂离子。也就是说,用了硅之后,它的储能是碳的十倍。


但为什么硅这个材料还没有真正用在电池上?是因为一个硅要放四个锂离子,体积就会大大增加,硅就需要膨胀。而当我们使用电池的时候,锂离子又出去了,硅就收缩。


充电膨胀、放电收缩,而硅又是像玻璃一样的材料,很容易破裂,进而导致电池不能用了。


但现在,我们前面提到的可以自修复的材料,就可以解决这个问题,充放电几百次,都不会坏掉。

本文根据9月16日鲍哲南在混沌大学的课程整理而成,内容仅为全部课程的1/8。


更详尽:

1、顶级科学家研究创新背后的思考

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3用大学创新,助力商业化


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