人造電子皮膚——電子工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)

“人造電子皮膚是電子工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，可以激發(fā)我們的思考，讓我們有更多的想象空間創(chuàng)造出新的材料和新的技術(shù)?！?月19日，出席第二屆江蘇發(fā)展大會(huì)暨首屆全球蘇商大會(huì)的嘉賓，世界杰出女科學(xué)家、美國(guó)工程院院士、斯坦福大學(xué)化工系主任鮑哲南教授在南京大學(xué)校慶學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上表示，電子皮膚將會(huì)引領(lǐng)下一代電子工業(yè)的發(fā)展方向。

從材料到工藝，柔性電子不斷取得新突破

1985年，通用電氣公司（GE）利用離散型紅外傳感器制造了第一個(gè)機(jī)器人手臂的敏感皮膚，開啟了電子皮膚的發(fā)展歷史。2000年，貝爾實(shí)驗(yàn)室成功制造出當(dāng)時(shí)世界上第一個(gè)用有機(jī)晶體管材料做成的柔性電子紙。

由于具有較好的柔韌性和生物相容性等特性，有機(jī)電子材料與器件是構(gòu)筑電子皮膚的理想載體之一。而鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)一直從事有機(jī)電子材料設(shè)計(jì)與器件方面的研究，成為最早開展柔性電子領(lǐng)域研究的科研團(tuán)隊(duì)之一。團(tuán)隊(duì)從研究學(xué)習(xí)分子設(shè)計(jì)、傳感、信號(hào)處理和傳輸?shù)茸罨纠砟钊胧郑?011年成功研制出基于碳納米管/橡膠復(fù)合薄膜的新型電子皮膚。該電子皮膚不僅具有高靈敏的壓力感知能力，還展示出優(yōu)異的可拉伸性和透明性。

在此后的研究中，科學(xué)家們希望賦予電子皮膚更多人體皮膚所具有的特性。針對(duì)人體皮膚的壓力敏感性和機(jī)械自我修復(fù)性兩大特性，2012年，鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)又研制出壓敏電子皮膚，在環(huán)境條件下顯示出機(jī)械和電學(xué)自愈合特性，在室溫下具有重復(fù)自修復(fù)能力。2015年，世界上第一個(gè)可與動(dòng)物大腦溝通的可彎曲型電子皮膚誕生了。

2018年2月，鮑哲南團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上宣布：柔性電子領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)制造工藝的新突破——易量產(chǎn)的高密度、高靈敏度、可拉伸晶體管陣列首次成功開發(fā)?！盀榱藢?shí)現(xiàn)新模式的電子器件和最終電子產(chǎn)品，我們先從發(fā)展新電子材料開始，然后再做工藝。”這項(xiàng)技術(shù)突破意味著，用皮膚一樣性能的電子材料來(lái)做電子器件成為可能?！耙郧白龅娜嵝噪娮雍茈y做成集成電路，而集成電路對(duì)電子器件來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)轱@示屏幕、傳感和計(jì)算都需要集成電路。而在柔性電子皮膚領(lǐng)域，第一次做到了簡(jiǎn)單的集成電路?！?/p>

鮑哲南團(tuán)隊(duì)近日研發(fā)的具有觸覺傳感器的手套，機(jī)械手臂在帶上手套后能夠具備和人類皮膚類似的觸覺?！坝眠@樣的機(jī)器人摘樹莓，它的手會(huì)把握適當(dāng)?shù)牧Φ蓝粚⑵鋲浩啤！滨U教授說(shuō)，機(jī)器人的觸覺已經(jīng)往更近似人類的方向“進(jìn)化”。不僅如此，這樣的傳感器也可種植到動(dòng)物體內(nèi)來(lái)測(cè)動(dòng)脈血流量，“利用傳感器的力學(xué)信號(hào)，可以預(yù)測(cè)血管會(huì)不會(huì)被堵塞，以預(yù)防腦溢血、中風(fēng)等血管疾病?！?/p>

神奇的是，這樣的傳感器如今已不僅僅可以感知傳統(tǒng)意義上的力學(xué)信號(hào)?！敖鼛啄?，傳感器又增加了對(duì)電學(xué)信號(hào)和化學(xué)信號(hào)的感知，從大腦、肌肉傳出來(lái)的細(xì)微電信號(hào)和化學(xué)信號(hào)均可被測(cè)量，這意味著電子皮膚具備了更多功能?！滨U教授透露，目前正進(jìn)行新材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究，將來(lái)手機(jī)屏幕、醫(yī)療儀器就像皮膚一樣可以貼在身上。

作為一種可嵌入或覆蓋人體的高精尖設(shè)備，未來(lái)慢性病患者將不再需要佩戴大型電子監(jiān)視設(shè)備以跟蹤血壓、血糖、心率生物等指標(biāo)，電子皮膚就是人體健康最好的指示標(biāo)。這個(gè)技術(shù)將來(lái)也可以應(yīng)用在建筑物表面或者是飛機(jī)表面等各種不同的體系里。

“如今，柔性觸摸屏已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并成功應(yīng)用在了世界首批可彎曲智能手表和可折疊智能手機(jī)中?！滨U哲南介紹，不僅如此，可拉伸性材料因?yàn)檩^良好的硬度和自修復(fù)性功能，可以用到鋰電池里，以提高鋰電池的容量和持續(xù)充放電時(shí)間。

發(fā)展人造電子皮膚仍面臨諸多挑戰(zhàn)

從“靈敏壓感電子皮膚”“可拉伸電子皮膚”“自修復(fù)電子皮膚”“會(huì)變色的電子皮膚”到最近的“可觸動(dòng)腦神經(jīng)的電子皮膚”，鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)的一系列研究成果成為引發(fā)柔性電子皮膚研究浪潮的重要因素,并且迅速、直接地推動(dòng)了人造電子皮膚的發(fā)展進(jìn)程。

如今，在美國(guó)斯坦福大學(xué)、美國(guó)西北大學(xué)、日本東京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、新加坡南洋理工大學(xué)等全世界眾多科研機(jī)構(gòu)的共同努力下,人造電子皮膚領(lǐng)域的研究取得了迅猛發(fā)展，電子皮膚的功能已經(jīng)越來(lái)越近似人類皮膚。

雖然鮑哲南教授團(tuán)隊(duì)在電子皮膚方面取得了重大成果，但是電子皮膚仍然在集成性、兼容性和更高靈敏性等方面存在諸多挑戰(zhàn)。路線圖必須先從簡(jiǎn)單的應(yīng)用出發(fā)，先用一些已經(jīng)成熟的材料和器件做一些新的應(yīng)用，或者用新發(fā)明的材料和器件實(shí)現(xiàn)已有的應(yīng)用，然后慢慢再延伸到越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)性的應(yīng)用。

正如早期的柔性電子一樣，鮑哲南認(rèn)為，現(xiàn)在的電子皮膚有了更多的可能性且將會(huì)面臨巨大的需求市場(chǎng)?！斑@是一個(gè)可以超越智能手機(jī)的世界。最重要的是，電子皮膚它會(huì)變成我們身體的一部分，幫助我們做以前做不到的事情，讓我們和周圍的世界有更好的信息交流?！?/p>

隨著科學(xué)家們對(duì)電子皮膚不斷深入的研究,相信在不久的將來(lái)，在科幻電影才會(huì)出現(xiàn)的與人類觸覺相當(dāng)?shù)闹悄軝C(jī)器人，會(huì)在現(xiàn)實(shí)中與我們相遇。