2019年9月，美國(guó)化學(xué)會(huì)出版社宣布設(shè)立”ACS Central Science顛覆者與創(chuàng)新者獎(jiǎng)”(ACS Central Science Disruptors Innovators Prize),以表彰具有廣泛意義且能推動(dòng)領(lǐng)域變革、范式轉(zhuǎn)型和核心科學(xué)發(fā)展的科學(xué)突破。”ACS Central Science顛覆者與創(chuàng)新者獎(jiǎng)”將由評(píng)選委員會(huì)每?jī)赡暝u(píng)選一次。斯坦福大學(xué)的鮑哲南教授成為首位”ACS?Central Science顛覆者與創(chuàng)新者獎(jiǎng)”獲得者，該獎(jiǎng)項(xiàng)強(qiáng)調(diào)具有廣泛相關(guān)性的范式轉(zhuǎn)變的科學(xué)突破。作為一名化學(xué)工程師，鮑哲南因其“在導(dǎo)電聚合物分子設(shè)計(jì)及其應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性和顛覆性研究，以及在人造電子皮膚和其他生物電子器件的開(kāi)發(fā)方面的突出進(jìn)展”而獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)。她在這一領(lǐng)域的工作包括開(kāi)發(fā)可拉伸電路、柔性電池和連接醫(yī)用植入物與生物組織的材料。這些可拉伸電子器件使她能夠制造出與活體組織相連的裝置。這種電子皮膚還可以用于人體假肢和機(jī)器人。
鮑哲南本科時(shí)從中國(guó)移民到美國(guó)，在獲得博士學(xué)位后的第一年在貝爾實(shí)驗(yàn)室從事柔性顯示器的研究。她于2004年加入斯坦福大學(xué)任教。附Neil Savage對(duì)鮑哲南教授的專(zhuān)訪(fǎng)，談?wù)摿怂陔娮悠つw上的工作以及所涉及的一些內(nèi)容。
你們團(tuán)隊(duì)工作的動(dòng)力是什么？
我們正在努力改變電子器件的未來(lái)。今天的電子產(chǎn)品都是硬而易碎的。我們?cè)O(shè)想在未來(lái)，電子器件將與我們的穿戴衣物、附著體外或植入體內(nèi)的東西融合在一起。作為一名化學(xué)家，我對(duì)于能夠理解新一代電子產(chǎn)品的分子設(shè)計(jì)而感到非常興奮。
你是如何開(kāi)始關(guān)注電子皮膚的？
20年前，當(dāng)我開(kāi)始在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，我的夢(mèng)想是制作可折疊顯示器。搬到斯坦福后，我就想做一些更深入的研究。一位機(jī)械工程的同事當(dāng)時(shí)正在制造一種能爬墻的蟑螂機(jī)器人。但是蟑螂一爬到墻頭就會(huì)倒下，因?yàn)樗鼪](méi)有感覺(jué)反饋。就在那時(shí)，我對(duì)能夠感知觸覺(jué)的傳感器產(chǎn)生了興趣。我認(rèn)為那將是一個(gè)很好的切入口，不僅能實(shí)現(xiàn)柔性電子技術(shù)的應(yīng)用，還能向生物系統(tǒng)學(xué)習(xí)。
我們團(tuán)隊(duì)開(kāi)始模仿人類(lèi)皮膚的觸感，并思考人類(lèi)皮膚的所有特性，比如延展性，生物降解性和自愈性。所以我們決定以人體皮膚為靈感定義將要設(shè)計(jì)和制造的電子器件的屬性和功能。
如何制備電子皮膚？
我們使用的是以聚合物為基礎(chǔ)的電子材料，因?yàn)橥ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)，它們可以擁有所有這些類(lèi)似皮膚的特性。為了使聚合物能夠有效地傳輸電子或空穴，傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為它們需要具有剛性的晶體結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)可拉伸電子器件而言，則需要將大量非晶域和少量晶域混合。因此，我們必須想出設(shè)計(jì)半導(dǎo)體的新方法，以保證半導(dǎo)體的一種特性不受另一種特性的影響，也就是在保持高電荷載流子遷移率的同時(shí)，還能將材料的長(zhǎng)度可逆地延長(zhǎng)至少兩倍。
如何制造出具有所需特性的半導(dǎo)體?
我們引入了在聚合物半導(dǎo)體中加入動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵的概念。這些動(dòng)態(tài)鍵可以是弱氫鍵或弱金屬配位鍵。它們?cè)趹?yīng)力作用下很容易斷裂，而在應(yīng)力消除后又會(huì)重新連接。如果聚合物拉伸時(shí)共價(jià)鍵斷裂，它們?cè)谑覝叵戮筒荒茌p易重新連接，因此材料就會(huì)發(fā)生永久性損傷。但如果動(dòng)態(tài)鍵在拉伸過(guò)程中被破壞，它們就提供了一個(gè)消耗機(jī)械能的場(chǎng)所，而不會(huì)破壞共價(jià)鍵。最后，當(dāng)應(yīng)力消除后，聚合物能夠回到原來(lái)的狀態(tài)，這些動(dòng)態(tài)鍵也可以重新連接。其他研究也曾使用過(guò)動(dòng)態(tài)鍵，我們面臨的挑戰(zhàn)是在引入動(dòng)態(tài)鍵的同時(shí)設(shè)計(jì)出能夠提供良好電荷傳輸?shù)姆肿印?/p>
我們還發(fā)現(xiàn)，將半導(dǎo)體聚合物薄膜制成納米結(jié)構(gòu)時(shí)，其延展性比本體聚合物強(qiáng)得多。因此，我們選擇了幾種合適的聚合物制備成半導(dǎo)體聚合物納米纖維。目前，我們已經(jīng)將許多原本脆弱的聚合物變成可拉伸、高性能的半導(dǎo)體聚合物。
設(shè)計(jì)一個(gè)電路，還需要介電層、導(dǎo)電材料，并且所有這些元件都得是可拉伸的。因此，我們需要開(kāi)發(fā)這些材料，在不影響電子性能的前提下再添加新的功能。此外，我們還需要開(kāi)發(fā)一種制板工藝，為每種類(lèi)型的材料制作貼片，這樣就可以構(gòu)建電路。現(xiàn)在我們一次可以制造成千上萬(wàn)個(gè)晶體管，制備的功能電路板里面有幾十個(gè)晶體管。
電子皮膚真的能重塑觸覺(jué)嗎?
觸覺(jué)是通過(guò)幾種類(lèi)型的機(jī)械感受器的信號(hào)組合產(chǎn)生的。我們?cè)噲D使電子皮膚傳感器的輸出類(lèi)似于皮膚機(jī)械感受器所產(chǎn)生的輸出，感知壓力、應(yīng)力或剪切力，并通過(guò)電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖。脈沖電信號(hào)基本就是生物機(jī)械感受器產(chǎn)生的信號(hào)。我們希望電子皮膚能在電脈沖刺激神經(jīng)時(shí)產(chǎn)生觸感。但這些還有待測(cè)試，現(xiàn)在我們制造的電子皮膚傳感器的數(shù)量和信號(hào)處理能力還無(wú)法與人類(lèi)皮膚的復(fù)雜性相匹配。我們希望將許多不同類(lèi)型的傳感器集成到電子皮膚上，產(chǎn)生類(lèi)似神經(jīng)的信號(hào)。
我們的愿景是最終制造出與生命系統(tǒng)直接通訊的電子器件。幫助帶假肢的人重獲觸覺(jué)，這是十分有意義的。
這種電子皮膚的未來(lái)有多遠(yuǎn)？
這需要長(zhǎng)期的發(fā)展，但從短期來(lái)看，我們開(kāi)發(fā)的傳感器已經(jīng)發(fā)展成無(wú)創(chuàng)的、可持續(xù)監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備。例如，利用血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備成立了一個(gè)附屬公司(PyrAmes)。我們正在開(kāi)發(fā)其他可穿戴傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)汗液或唾液中的化學(xué)物質(zhì)感知人的壓力水平。這些與電路相結(jié)合的傳感器可能在未來(lái)被用作機(jī)器人皮膚，使機(jī)器人能夠安全地與人類(lèi)合作。
原文鏈接：
https://cen.acs.org/materials/electronic-materials/Zhenan-Bao-makes-stretchable-electronics/98/i32
