人造電子皮膚——電子工業(yè)發(fā)展的新趨勢

“人造電子皮膚是電子工業(yè)發(fā)展的新趨勢，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)展大會暨首屆全球蘇商大會的嘉賓，世界杰出女科學(xué)家、美國工程院院士、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)報告會上表示，電子皮膚將會引領(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機器人手臂的敏感皮膚，開啟了電子皮膚的發(fā)展歷史。2000年，貝爾實驗室成功制造出當時世界上第一個用有機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。而鮑哲南教授團隊一直從事有機電子材料設(shè)計與器件方面的研究，成為最早開展柔性電子領(lǐng)域研究的科研團隊之一。團隊從研究學(xué)習(xí)分子設(shè)計、傳感、信號處理和傳輸?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。針對人體皮膚的壓力敏感性和機械自我修復(fù)性兩大特性，2012年，鮑哲南教授團隊又研制出壓敏電子皮膚，在環(huán)境條件下顯示出機械和電學(xué)自愈合特性，在室溫下具有重復(fù)自修復(fù)能力。2015年，世界上第一個可與動物大腦溝通的可彎曲型電子皮膚誕生了。

2018年2月，鮑哲南團隊在《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)。“為了實現(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?！边@項技術(shù)突破意味著，用皮膚一樣性能的電子材料來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，而集成電路對電子器件來說至關(guān)重要，因為顯示屏幕、傳感和計算都需要集成電路。而在柔性電子皮膚領(lǐng)域，第一次做到了簡單的集成電路?！?/p>

鮑哲南團隊近日研發(fā)的具有觸覺傳感器的手套，機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@樣的機器人摘樹莓，它的手會把握適當?shù)牧Φ蓝粚⑵鋲浩?。”鮑教授說，機器人的觸覺已經(jīng)往更近似人類的方向“進化”。不僅如此，這樣的傳感器也可種植到動物體內(nèi)來測動脈血流量，“利用傳感器的力學(xué)信號，可以預(yù)測血管會不會被堵塞，以預(yù)防腦溢血、中風(fēng)等血管疾病。”

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?！敖鼛啄?，傳感器又增加了對電學(xué)信號和化學(xué)信號的感知，從大腦、肌肉傳出來的細微電信號和化學(xué)信號均可被測量，這意味著電子皮膚具備了更多功能?！滨U教授透露，目前正進行新材料的理論和實驗研究，將來手機屏幕、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，電子皮膚就是人體健康最好的指示標。這個技術(shù)將來也可以應(yīng)用在建筑物表面或者是飛機表面等各種不同的體系里。

“如今，柔性觸摸屏已經(jīng)實現(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中?！滨U哲南介紹，不僅如此，可拉伸性材料因為較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”“會變色的電子皮膚”到最近的“可觸動腦神經(jīng)的電子皮膚”，鮑哲南教授團隊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、直接地推動了人造電子皮膚的發(fā)展進程。

如今，在美國斯坦福大學(xué)、美國西北大學(xué)、日本東京大學(xué)、中國科學(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)越來越近似人類皮膚。

雖然鮑哲南教授團隊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)明的材料和器件實現(xiàn)已有的應(yīng)用，然后慢慢再延伸到越來越復(fù)雜的系統(tǒng)性的應(yīng)用。

正如早期的柔性電子一樣，鮑哲南認為，現(xiàn)在的電子皮膚有了更多的可能性且將會面臨巨大的需求市場。“這是一個可以超越智能手機的世界。最重要的是，電子皮膚它會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。”

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