“人機合一”：人造皮膚如何將夢想照進(jìn)現(xiàn)實

當(dāng)25年前我開始我生平的第一個科學(xué)生涯中的科研項目的時候，我懷揣著一個夢想：讓將來所有的電視屏幕都變成可折疊性的。或許我們可以把這樣的一個設(shè)備放在口袋里，也可以隨時隨地拿出來很方便地使用。當(dāng)時我暢想的主體還依舊是“電視屏幕”，因為在25年前，你可以想象，那時我們還沒有手機問世。

科技的深度發(fā)展讓人們對各式智能設(shè)備的依賴程度越來越高，尤其是智能手機。智能手機的快速發(fā)展也逐漸衍生出一系列可穿戴的電子設(shè)備。智能手表、智能手環(huán)、藍(lán)牙耳機、VR眼鏡……此類產(chǎn)品作為智能手機功能的延伸，也正在隨著人們更高的消費需求向更智能，更簡潔輕便的方向發(fā)展。

“人機合一”：夢想照進(jìn)現(xiàn)實

但已經(jīng)習(xí)慣智能手機陪伴的你是否思考過，如果我們將來的生活中根本沒有手機，根本沒有這些需要穿脫的、笨重的電子器件，那將會是怎樣的景象？這是我們團隊在幾年前提出的一個大膽的設(shè)想，我們認(rèn)為未來手機的功能將會會融入到人們所穿的衣服當(dāng)中，或者大家需要使用的智能電子器件將以貼在皮膚上或者植入到體內(nèi)的方式為我們所用。

這樣的轉(zhuǎn)變將意味著人和人之間，人和環(huán)境之間交流的方式要發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。因此，我們團隊認(rèn)為將來的電子工業(yè)將隨之產(chǎn)生一個巨大的改變，人和人之間的溝通將有賴于像人造皮膚一樣的電子器件，這就是此后我們團隊所提出的“電子皮膚”的理念。

在25年前，當(dāng)時如果要做成折疊的這些電子器件，是沒有任何可用的材料的。所以從那時起，我和同事們就開始設(shè)計新的材料，研究怎樣才能夠用柔性的材料作出可折疊的屏幕。經(jīng)過8年的研究，我們終于做出了世界上第一款可以折疊的屏幕。

人造皮膚：柔性，智能，連通人體

我一生當(dāng)中最好的記憶是當(dāng)我把我的孩子抱在懷中，輕輕撫摸他的柔軟的小手和小臉的時候。也許對普通人來說難以想象，身為母親的不可以撫摸或無法感知她的孩子，或者在廚房里面做飯的時候，即使被燙到也不知道，這就是戴著假肢的沒有感覺的病人每天所經(jīng)歷的。但是這又和研發(fā)可折疊的屏幕有什么關(guān)系呢？

眾所周知，人的身體并不是一條直線，而是一個彎曲的形狀。所以真正的電子皮膚也必須是像人的身體一樣，能在牢牢覆蓋在人身體上而不束縛人的正常運動、活動，并且同時也不會因為人的一些活動或動作而碎裂。這個電子皮膚在附著在人的身體上時也必須要能夠正常工作。

所以放在我們團隊面前，首先就有這么三個需要解決的核心問題。第一，所用的電子材料不能再同以往的電子器件的用料一樣是剛硬的。因為當(dāng)剛硬的材料放在身體上時，會因為身體在運動時的一些動作斷裂，因此不能夠正常工作。所以我們必須把這些材料做成像皮膚一樣柔軟，像皮膚一樣的可以拉伸，甚至可以像皮膚一樣能自修復(fù)，甚至再進(jìn)一步：可以生物降解。

不過，即便我們研發(fā)出了這些材料，還需面臨第二個挑戰(zhàn)。因為我們?nèi)说钠つw是可以感知到壓力、可以感知到溫度、可以細(xì)膩地感知到不同的物體的。所以還需要把手頭的這些柔軟材料，或者說人造皮膚，做得讓它們能夠真正地感知感受到不同的物體，也就是知覺。

最后，即使過了前兩關(guān)，得到的這些傳感器可以接收信號，就像我們的皮膚可以感受到不同的知覺，但是如果我們的大腦不能處理這些信號的話，還是沒有感覺。所以皮膚的信號或者人造皮膚的信號需要能夠和人體結(jié)合起來。

發(fā)現(xiàn)絕妙材料

我們此前16年的研究就在著重解決這三個最重要的問題，非常感謝我的學(xué)生們和合作者們的努力和幫助，使我們在這三方面均有重大突破。

首先從材料的角度來講，我們需要通過分子的設(shè)計去得到不同的材料。大家都知道原子是形成分子的，當(dāng)分子排列成不同的序列的時候，它們會給分子不同的性能。比如說，金屬性能或者可拉伸性的性能。因此當(dāng)我們有了一定的分子的設(shè)計，然后用化學(xué)反應(yīng)去制作出材料的時候，我們才可以去實現(xiàn)目標(biāo)中不同的性能。但是如果這些分子所做成的材料是剛硬的材料，當(dāng)人體在運動的時候，這些材料要么會束縛人的運動，要么它們的化學(xué)鍵就會斷裂，那使得這個電子器件就不能再工作。

所以我們提出了用那些可以自己修復(fù)的化學(xué)鍵去制作這些新型的電子材料。使得我們所得到的電子材料即使其中的化學(xué)鍵斷裂之后，它們也會自己重新修復(fù)，就有了可拉伸性和自修復(fù)性，甚至可以有生物降解的性能。這是我們所做的一款可以拉伸性的材料，你可以看到即使用針去刺在上面，它也不會碎裂。這個是我們做的另外一個材料，是可以自修復(fù)性的。這個材料，當(dāng)我們?nèi)デ兴臅r候，它的化學(xué)鍵會斷開。但是當(dāng)兩個材料被放在一起的時候，化學(xué)反應(yīng)立刻在室溫下又進(jìn)行使得化學(xué)鍵又重新產(chǎn)生。那這個材料現(xiàn)在你可以看到，很快地就恢復(fù)它原來的性能。通過我們前面十年的研究，現(xiàn)在我們有一系列的電子材料，從導(dǎo)電的像金屬一樣的材料到半導(dǎo)體的材料，還有是可以拉伸性的，也可以是自修復(fù)性的，也可以是生物降解性的。

所以有了這些材料，我們現(xiàn)在可以去開始做一些電子電路。比如說，這個電子電路，它是排列成陣列型的，同時你看到的紅色的曲線就是它發(fā)出的電信號。當(dāng)我們?nèi)ダ焖で蛘呱踔练旁卺斪由?，它也照?？梢怨ぷ鳌Ｄ莻€紅色的信號保持不變，說明它還是在正常的運作當(dāng)中。我們也需要去開發(fā)一些光化學(xué)的研究，使得我們可以把材料做成陣列型的。這樣我們才可以做成一個小的新的人造皮膚，使得它可以當(dāng)這個小蟲放在上面的時候，可以檢測到這個小蟲的腿的位置。

“裸感器件”的傳感器是什么樣的？

有了材料之后，我們下一步所需要做的是將這些材料做成靈敏的傳感器。它既需要有靈敏度，也需要可以分辨不同的外界的信號。我們早期開發(fā)的一個可以測壓力的傳感器，是用小的金字塔做成的形狀。當(dāng)塔尖接受到壓力的時候，塔尖會變形，使得電信號改變。但壓力更加大的時候，塔底也會變形，使得電信號的改變更加大，這樣我們就可以測出不同的壓力。當(dāng)把這樣的傳感器放在機器的手上的時候，機器手就可以去觸摸這個紅莓同時不把它弄碎。

當(dāng)一個人閉著眼睛的時候，用手去觸摸一個玩具熊，或者去觸摸一個蘋果，都可以分辨出來。這是因為不單人的手可以感覺到壓力，而且皮膚還會變形，變形的時候就可以知道是不同的物體。所以在我們的壓力傳感器上，再加一層可以變形的薄膜，就可以測出這個所謂的變形，使得我們對觸摸到的到底是一個草莓還是一個蘋果作出判斷。

至于溫度傳感器， 我們設(shè)計了一個材料。當(dāng)溫度升高的時候，這個材料會膨脹，膨脹會導(dǎo)致里面的金屬顆粒間的距離分得更加遠(yuǎn)，那這樣子，它的導(dǎo)電力就會變化，就能起到測量溫度的作用。

現(xiàn)在，我們已經(jīng)有了傳感器也有了材料，最后需要做的一點，就是讓所接收到的信號成為我們的大腦可以理解的信號。人類大腦所接收的從皮膚來的信號是電的脈沖信號，所以我們所做的人造皮膚也必須能夠把傳感器所得到的信號改變成同樣的脈沖信號。有了這個信號之后，我們還需要把這個電信號直接接到我們的神經(jīng)上，通過神經(jīng)才可以傳輸?shù)酱竽X。所以人造皮膚必須非常柔軟，必須不傷害到我們的神經(jīng)或者大腦。

現(xiàn)在我們已經(jīng)把這樣的人造皮膚植入小老鼠的身體，可以看到小老鼠可以正常地運動，正常地生活，證明這些人造皮膚是確實是可以和生物體系相容的。距離這些人造皮膚真正用到人的身上還會需要一段時間，但是最主要的理念現(xiàn)在已經(jīng)可以得到證實。經(jīng)過我們此前所有的這些研究，我們現(xiàn)在已經(jīng)有一系列的材料和電子器件，使得我們可以證實人造皮膚是可以做成的。

研究不止于此

目前我們解決了最基本的問題，但是還有很多問題需要繼續(xù)解決，繼續(xù)研究。但是這個理念已經(jīng)被證實，同時人造皮膚也給我們帶來了很多意想不到的新的啟發(fā)。

當(dāng)新生的嬰兒出生的時候，尤其是早產(chǎn)的嬰兒，他們非常非常脆弱。初生嬰兒的小膀子就像我的手指一樣的粗細(xì)。如果要監(jiān)測初生嬰兒的血壓，需要用一個像釘子一樣的針，刺進(jìn)他的血管，肯定會對嬰兒產(chǎn)生很大的傷害，所以醫(yī)生經(jīng)常選擇不去測他的這些信號。但是缺少了對嬰兒身體的檢測，就會缺少非常重要的診療信息。所以我們可以用人造的皮膚，做成連續(xù)的、測量血壓的器件，做能夠輕輕地貼在嬰兒身上的血壓計。

此外，我們發(fā)現(xiàn)用我們的自修復(fù)材料，其實可以使得鋰電池變得更加穩(wěn)定，而且是可以高能量的儲電。所以雖然鋰電池要用在電動汽車上，現(xiàn)在它還達(dá)不到所要的功能和所要的安全，但人造皮膚研究當(dāng)中給我們帶來了一個意想不到的新發(fā)現(xiàn)，或許可以在電池儲能領(lǐng)域也能發(fā)揮作用。

我現(xiàn)在可以非常有信心地說，人造皮膚將會改變?nèi)藗儗淼纳睿梢允沟萌撕腿酥g更加多地溝通，可以使人和人之間更加多地互相的理解。人造皮膚的研究也讓我們這些研究人員們學(xué)到了更多做研究的方式?，F(xiàn)在我的課題組有化學(xué)家、生物學(xué)家、物理學(xué)家，也有電子工程師和機械工程師，大家并肩在一起做研究。這些來自不同領(lǐng)域的研究人員們也來自世界各個不同的國家。我堅信只有在一個非常包容的環(huán)境，才可以使得我們更加有想象力，更加有創(chuàng)造力，才能幫助我們?nèi)ソ鉀Q世界上最難解決的科學(xué)問題。

責(zé)任編輯：PSY