对话斯坦福大学鲍哲南教授:ACS首位颠覆者和创新者奖得主-深度-知识分子

对话斯坦福大学鲍哲南教授:ACS首位颠覆者和创新者奖得主

3天前
导读
近日,斯坦福大学鲍哲南教授因“在导电聚合物分子设计及其应用领域所做的广泛且具有颠覆性的研究,以及在人造电子皮肤和其他生物电子器件开发方面的突出进展”而成为“ACS颠覆者和创新者奖”首位获奖者。

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斯坦福大学鲍哲南教授是Fusion Fund的投资合伙人,也是第一个在斯坦福当院长的华人女性。鲍哲南教授是柔性电子领域的泰斗级人物。她所从事的关于“人造皮肤”的研究,取得了世人瞩目的成果,被媒体称为当今世界化学工程领域的“黑科技”。2015年,鲍哲南教授因“能传导触觉的人工皮肤”相关工作,入选Nature评选的十大年度人物;2016年,因在柔性电子器件的有机半导体材料领域的贡献,当选美国工程院院士。2020年,鲍哲南教授成为“ACS Central Science Disruptors & Innovators Prize(颠覆者和创新者奖)”首位获奖者。


近日,斯坦福大学鲍哲南教授成为“ACS Central Science Disruptors & Innovators Prize(颠覆者和创新者奖)”首位获奖者。这一奖项旨在表彰在推动科学进步方面做出颠覆性突破的科学家。鲍哲南教授因“在导电聚合物分子设计及其应用领域所做的广泛且具有颠覆性的研究,以及在人造电子皮肤和其他生物电子器件开发方面的突出进展”而获奖。她在这一领域的工作包括可拉伸电路、柔性电池和医用植入物与生物组织连接材料的开发。利用这些可拉伸电子材料可以构建与活体组织接合的器件,这种电子皮肤可应用于人体假肢和机器人。



鲍哲南本科时从中国移民美国,获得博士学位后的最初几年在贝尔实验室从事柔性显示器研究工作。她于2004年进入斯坦福大学任教。美国化学会出版社《化学与化工新闻》杂志(C&EN)的自由撰稿人Neil Savage曾与鲍哲南聊过她在电子皮肤领域的工作,以及与之相关的其它所有话题。


本文同时发表于ACS Central ScienceC&EN.



Neil:你的团队工作的动力是什么?

鲍哲南



我们致力于改变电子器件的未来。目前的电子产品都是硬性且易碎的。我们设想在未来,电子设备将与我们穿在身上的、附着或植入体内的东西融合在一起。作为一名训练有素的化学家,了解能够应用于新一代电子产品的分子设计是我的激情所在。


Neil:你是如何开始关注电子皮肤的?

鲍哲南



20年前,我开始在贝尔实验室工作时,我的梦想是制作可折叠显示器。进入斯坦福后,我想做一些更深入的事情。一位机械工程专业的同事正在制造一种能够爬墙的蟑螂机器人。但每当蟑螂机器人爬到墙顶,就会掉下来,因为它没有传感反馈。从那时起,我对能够感知触觉的传感器产生了兴趣。我认为这个领域很适合应用柔性电子技术并可潜在地借鉴生物系统。


我们开始模仿人类皮肤的触觉感知,这促使我们开始思考人类皮肤的所有特性,比如延展性、生物降解性和自愈性。因此我们决定以人体皮肤为灵感,来定义我们将要设计和制造的电子产品的属性和功能。


Neil:你们是如何制造电子皮肤的?

鲍哲南



我们使用以聚合物为基础的电子材料,因为通过设计它们可以拥有类似皮肤的特性。传统观点认为,聚合物要有效地输送电子或电子空穴,则需要具有刚性的晶体结构。然而,对于可拉伸电子器件,我们需要将大比例的非晶畴与小比例的晶畴融合。因此,我们必须找出设计半导体的新方法,以保证各种特性不会受到相互影响——基本上就是在保持高电荷载流子迁移率的同时,还能将材料的长度可逆地至少延长两倍。


Neil:如何制造出具有所需特性的半导体?

鲍哲南



我们采用的一个概念是在聚合物半导体中加入动态化学键。这些动态键可以是弱氢键或弱金属-配体键,它们在张力下很容易断裂,张力消除后能够重新连接。如果聚合物拉伸时共价键断裂,在室温条件下很难重新连接,材料就会永久受损。但如果动态键在拉伸过程中断裂,它们会消耗机械能,而不是破坏共价键。最后,当张力消除后,聚合物能够回到原初状态,动态键也能够重新连接。动态键在一些应用中已得到运用。我们面临的挑战是设计出能够同时提供良好电荷传输的分子。


我们还发现,当将半导体聚合物薄膜制成纳米结构时,其延展性比本体聚合物要好得多。因此,我们开发出了从适当选择的聚合物共混物中形成聚合物半导体纳米纤维的方法。现在,我们已得到多种可拉伸、高性能的半导体聚合物,它们原本是脆弱易碎的。


为了搭建电路,我们还需要介电层和导电材料,而且所有这些元件都必须是可拉伸的。我们需要开发这些材料,在不影响电子性能的前提下添加新的功能。此外,我们还需要开发一种制版工艺,为每种类型的材料制作贴片,供我们搭建电路。现在,我们可以一次制造数千个晶体管,而我们搭建的功能电路块能容纳几十个晶体管。


Neil:电子皮肤真的能再现触觉吗?

鲍哲南



分属若干类型的许多机械感受器发出各种信号,触觉就是通过这些信号组合而产生的。我们正在尝试以电子皮肤传感器的输出模仿皮肤机械感受器所产生的输出。我们有可以感知压力、张力或剪切力的传感器,也有可以把这些信号转换成电脉冲的电路。脉冲电信号基本上都是生物机械感受器产生的信号。我们希望我们的电子皮肤能在使用电脉冲刺激神经时产生触觉。但这还有待测试,我们现在制造的电子皮肤在传感器数量和信号处理能力方面还无法与人类皮肤的复杂性相匹配。我们很快就能实现将各种不同类型的传感器集成到电子皮肤上,它们都能产生类似神经的信号。


我们的愿景是,最终制造出与生命系统直接通讯的电子设备。帮助佩戴假肢的人重获触觉将会产生重要影响。


Neil:距离实现这种电子皮肤还有多远的路要走?

鲍哲南



刚才说的是长期愿景,但从短期来看,我们开发的传感器已经促成了无创持续监测可穿戴设备的产生。例如,血压监测设备的生产已发展成一家子公司(PyrAmes)。我们正在开发其他可穿戴传感器,通过监测人体汗液或唾液中的化学物质来感知人的压力水平。这些与电路相结合的传感器有可能用作机器人皮肤,促进机器人与人类的安全合作。




注:本文转载自ACS美国化学会。

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