大牛速覽：斯坦福女神和人工電子皮膚
【引語】
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【人物簡介】
鮑哲南，女，1970年出生于中國南京，化學家，美國國家工程院院士，斯坦福大學化學工程系教授。1987年鮑哲南考取南京大學化學系；1995年獲得美國芝加哥大學化學系博士學位后進入了貝爾實驗室任職；2001年獲得貝爾實驗室杰出研究人員稱號；2004年進入斯坦福大學化學系任教；2007年獲得斯坦福大學工程教學女教師優秀獎；2010年底作為創辦人之一的C3Nano公司在美國硅谷成立；2011年獲得影響世界華人大獎；2015年被選為《自然》雜志年度十大人物；2016年當選美國國家工程院院士；2017年獲得世界杰出女科學家成就獎。
鮑哲南院士課題組的研究范圍包括化學、材料科學、能源、納米電子學和分子電子學，有機和高分子半導體材料、傳感材料、有機半導體晶體管、有機太陽能電池、電子紙、人工電子皮膚。因在人工電子皮膚領域做出了重大貢獻，被稱為“人工電子皮膚”之母。
【人工電子皮膚背景介紹】
皮膚是人體最大的器官，負責龐大的信息交換。具有舒適、柔軟、可自愈、可新陳代謝的特點，它收集外界刺激，并把這些刺激轉換成諸如壓力、疼痛和溫度等人體可以感知的信號。因此，創造出具有類似人類感官能力的人工皮膚一直是人類所向往和追求的。例如，早期的好萊塢大片里的《星球大戰》系列、《終結者》系列等電影，向普通大眾展示了具有人類感官性能的電子皮膚機器人，創造了一個關于電子皮膚美好未來的愿景。具有多感官表面的自主人工智能機器人可以進行醫療診斷和替代假肢；具有感官和傳感功能的機器人可以照顧老人等高度互動任務，也可以利用身體上或體內應用的傳感皮膚進行診斷和監測疾病。例如電影《澳門風云3》里所展示的智能機器人，更加智能化和人性化。如今，人們研發出來的機器人越發具有上述人們所希望的性質，在生活中各個領域的運用越來越廣泛。
那么下面，我們一起來簡要回顧一下人工電子皮膚的發展歷程。
【人工電子皮膚的發展歷程】
1、人工電子皮膚早期發展的時間簡介表
最早是在1974年，Clippinger等人展示了一個能夠分離傳感器反饋的假肢手。[1]?但是，直到近十年過后，惠普（HP）推出了配備觸摸屏的個人電腦（HP-150），用戶只需觸摸顯示屏即可激活功能。它是第一個利用人類觸摸的直觀性質的大眾市場電子設備。1985年，通用電氣（GE）利用離散型紅外傳感器建立了第一個機器人手臂的敏感皮膚，制造的敏感皮膚近端可以意識到周圍環境，避免潛在的障礙并在其物理環境中有效地操縱。[2]?從此開啟了電子皮膚的發展。在1990s以來，科學家開始使用柔性電子材料來制備大面積、低成本和可印刷的傳感器片，使得制備出的電子皮膚具有柔性和更有利于降低生產成本。例如，F. K. Jiang等人通過蝕刻薄硅晶片并將它們集成在柔性聚酰亞胺箔上形成硅微機電島，是最早提出用于觸覺剪切力感測的柔性傳感器片之一。[3]?從此，為了提高可靠性、柔性和機械性等性能方面進行了大量的研究工作。在2000年美國國家科學基金會和國防部高級研究計劃局的支持下，第一屆“敏感皮膚研討會”在華盛頓特區召開，匯集了來自學術界、工業界和政府不同的部門約60名研究人員，經過討論發現人們對于從機器人到醫療保健等各種應用的電子皮膚存在極大的興趣。在2001年，Vladimir J. Lumelsky等人總結了電子皮膚的概念和應用領域，是第一篇關于電子皮膚的綜述。[4]?最開始稱電子皮膚為敏感皮膚，是一種大面積、靈活的傳感器陣列，具有數據處理功能，可用于覆蓋機器的整個表面甚至是人體的一部分。根據皮膚電子設備，它賦予其載體能夠通過皮膚的接近、觸摸、壓力、溫度、化學/生物或其他傳感器感知其周圍環境。文中還總結了需要解決的現有技術和研究問題，以使敏感皮膚成為現實。自此，關于電子皮膚的研究開始了一輪又一輪的浪潮。其中，在2010年是電子皮膚發展的又一個重要里程碑。鮑哲南教授團隊在Nat. Mater.上報道了以有機場效應晶體管(OFET)為突破口, 將微結構化的橡膠絕緣層引入OFET中, 制備了壓力感知靈敏度(8.4 kPa-1)堪比人體皮膚的有機壓力傳感器。[5]?首次報道OFET同時作為靈敏壓感元件、換能元件和信號放大元件。相關結果迅速引起了國際同行的廣泛關注，在電子皮膚研究領域引發新的一輪浪潮。
2、鮑哲南教授團隊對人造電子皮膚發展的重大貢獻
然而，由于有機電子材料與器件具有柔韌性好、輕薄和生物相容性好等特性, 因此是構筑電子皮膚的理想載體之一。而鮑哲南教授團隊自20世紀90年代以來一直從事有機電子材料與器件方面的研究。因此，在2008年鮑哲南教授團隊開始電子皮膚方面的研究, 成為最早開展該領域研究的科研團隊之一。[6,7]?經過兩年的研究和探索, 在2010年鮑哲南教授團隊在Nat. Mater. 上報道了生物相容性好的彈性體聚二甲基硅氧烷薄膜制備的靈活的電容式壓力傳感器，使電子皮膚具有前所未有的靈敏度和非常短的響應時間。[5,?8]?并且微結構化薄膜的壓力敏感性高，可以被集成到有機場效應(OFET)晶體管中作為介電層，形成具有類似優異靈敏度和響應時間的新型有源傳感器器件。首次報道了OFET同時作為靈敏壓感元件、換能元件和信號放大元件,這種靈敏傳感器也可用于微小物體感知和人體生理信號檢測。
接著，在之后的研究中, 鮑哲南教授團隊希望賦予電子皮膚更多的人體皮膚所具有的特性，例如壓力感知、可拉伸性和透明性。在2011年鮑哲南教授團隊于Nat.?Nanotech.上發表了新型電子皮膚方面的研究成果。[9]?新型電子皮膚是基于碳納米管/橡膠復合薄膜，不僅具有高靈敏的壓力感知能力, 而且還展示出優異的可拉伸性和透明性。該納米管具有類似彈簧的結構，其適應高達150％的應變并且在拉伸狀態下顯示高達2200 S cm-1的電導率，可以作為可拉伸電容器陣列中的電極。
針對人體皮膚的壓力敏感性和機械自我修復性兩大特性，在2012年鮑哲南教授團隊報道了由超分子有機聚合物和嵌入的鎳納米結構微粒組成的復合材料，其在環境條件下顯示出機械和電學自愈合特性，在室溫下具有重復自修復能力的壓敏電子皮膚。[10]?通過改變鎳顆粒的量來調節電導率，并且可以達到高達40 S cm-1。在破裂時，初始電導率在15 s后以約90％的效率重復恢復，并且在約10 min后機械性能完全恢復。推動電子皮膚領域向更加智能化的方向發展。
其中，由于柔性和可拉伸電子和光電子學在能源生產、生物醫學、機器人和顯示器方面具有巨大潛在的應用價值，所以得到科研人員的廣泛關注。結合他們人的研究，鮑哲南教授團隊總結了John Rogers教授團隊及其他研究團隊等人在適合可拉伸發光二極管（LEDs）與電子皮膚集成方面的研究，這些LED可能用于實現感測數據的視覺讀出或直接在人造皮膚本身上產生顯示。[11]?在2013年，鮑哲南教授團隊報道了在單片晶體管設計中微結構聚二甲基硅氧烷電介質和高遷移率半導體聚異靛藍雙噻吩—硅氧烷組合的柔性壓敏有機薄膜晶體管。[12]?最大靈敏度為8.4 kPa-1，快速響應時間<10 ms，超過15000次循環的高穩定性和<1 mW的低功耗。可用于非侵入性、高保真、連續橈動脈脈搏波監測，對于移動健康監測和心血管醫學遠程診斷具有重大意義。
在此后的幾年里，針對有機場效應(OFET)晶體管的性質和運用，鮑哲南教授團隊進行了更深入系統的研究，并取得令人稱奇的成績。同時，在2015年，他們又針對人體皮膚依賴于皮膚受體，其輸出用于觸覺感測的數字信號，其中刺激的強度被轉換成一系列電壓脈沖。推出了一款高效節能的機械感應器，可直接將壓力轉換為數字頻率信號，輸出頻率范圍在0~200 Hz之間。[13]?首次讓腦神經接收到了人造電子皮膚上的觸覺信號。要實現壓力信息從電子皮膚向大腦的傳導，首先將施加于皮膚上的壓力轉化為動作電位序列, 而動作電位的放電頻率則是壓力大小的度量。壓力越大, 動作電位頻率越高, 通常人體皮膚感受器產生的動作電位分布在0~200 Hz之間。然后這些壓力刺激產生的動作電位通過神經細胞傳導到大腦, 形成觸覺。這項工作進一步推動設計和使用大面積有機電子皮膚，并將人類觸覺延伸到了人造電子皮膚上, 并有望實現有感覺的義肢。
同年，根據變色龍和頭足類動物具有改變皮膚顏色的顯著能力的自然現象，他們通過改變施加的壓力以及施加的壓力持續時間控制電子皮膚顏色。[14]?可拉伸、高度可調的電阻式壓力傳感器和完全可拉伸的有機電致變色設備的集成使得能夠展示具有觸覺感應控制的可拉伸的電致變色活性電子皮膚。
通過在有機聚合物等材料的深入研究，針對軀體感覺系統中分布的受體、神經元和突觸網絡有效地處理復雜的觸覺信息，為了使電子皮膚能與人腦神經相鏈接。在2018年，鮑哲南教授團隊在Science上報道了使用柔性有機電子設備來模仿感覺神經的功能。[15]?通過人工傳入神經從壓力傳感器集群收集壓力信息(1~80 kPa)，在使用環形振蕩器將壓力信息轉換為動作電位(0~100 Hz)，并將來與突觸晶體管集成在一起。此外，將人工傳入神經與運動神經連接起來，構建一個混合生物電子反射弧來驅動肌肉，在神經機器人和神經修復術中具有潛在的應用。
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針對在健康監測、醫療植入物和生物學研究等方面都非常需要能夠無縫地粘附到人體皮膚或體內的皮膚狀電子器件，需要柔軟且可拉伸的電子皮膚更好的與人體皮膚粘附以獲得更實時的信號。雖然通過使用本征上可拉伸的聚合物材料提供所需的參數（更高的機械可變形性和堅固性），可以改善皮膚相容性和更高的裝置密度達到現實需求，但是本征上可拉伸的材料和器件的生產由于缺乏可擴展的制造技術，仍處于起步階段。同年，鮑哲南教授團隊在Nature上報道了一種制造工藝，可以從各種本征上可拉伸的電子聚合物中獲得高產量和均勻性。?[16]?實驗結果證實了該晶體管陣列構成的本征上可拉伸的皮膚電子器件可以用于傳感陣列的有源矩陣以及模擬和數字電路元件。并且該工藝為合并其他本征上可??拉伸的聚合物材料提供了一個通用平臺，可以用于制造下一代可拉伸皮膚電子設備。
【總結】
綜上所述，鮑哲南教授團隊的系列研究成果是成為引發柔性電子皮膚研發浪潮的重要因素, 直接且快速的推動該領域的發展。而今，在美國斯坦福大學、日本東京大學、中國科學院化學研究所、新加坡南洋理工大學等全世界眾多科研單位的科研人員的努力下, 人造的柔性壓敏電子皮膚研究取得了迅猛發展。[17-21]?并且相繼報道了大面積、超靈敏壓敏柔性電子皮膚，新型電子皮膚可以同時對壓力和溫度兩個參數的感知, 使電子皮膚的功能更接近人類皮膚。雖然鮑哲南教授團隊在柔性電子皮膚方面取得了重大成果,從“靈敏壓感電子皮膚”、“可拉伸電子皮膚”、“自修復電子皮膚”、“會變色的電子皮膚”到最近的“可觸動腦神經的電子皮膚”，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許多挑戰。相信隨著科學家們對電子皮膚不斷深入的研究, 在不久的將來正如電影里所展現的那樣，與人類觸覺相當的智能機器人也定將會面世。
由于內容有限，該領域很多科研工作者的成績并未展現，但是你們的努力是有目共睹、不可磨滅的。感謝所有為人造電子皮膚發展做出貢獻的科研人員，正是你們默默的堅持與付出，才有人造電子皮膚如今的發展現狀。相信在未來智能機器人大眾化、普遍化不是夢！
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【參考文獻】
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本文由材料人納米組小胖紙供稿，編輯部編輯。
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