鲍哲南:让人造皮肤更智能的“女魔术师”

美国斯坦福大学女科学家鲍哲南对人造电子皮肤的研究再上一层楼,继高灵敏度和自我发电两大创新之后,她的研究团队又为这种超级皮肤增加了透明和可拉伸功能,为人造电子皮肤更接近人类皮肤赋予重要意义。

新一期英国《自然》杂志发表报告说,美国斯坦福大学华人女教授鲍哲南团队在柔性电子领域实现了制造工艺的飞跃,使得人造皮肤的感应和计算能力更强、智能性更高。在柔性电子研究领域一片理工男的天下,鲍哲南做到了全球顶尖。

斯坦福大学化学工程系副教授鲍哲南去年9月和她的博士生、研究生团队发明了一种可模拟人类皮肤的高灵敏度柔性塑料薄膜材料。这种材料由高灵敏的电子感应器组成,当无数的感应器连成一片时,就形成与人类皮肤相似的薄膜。这种电子皮肤可以感知一只蝴蝶停在上面的压力,可以被广泛用于假肢、机器人、手机和电脑的触摸式显示屏、汽车方向盘和医学等。今年2月,鲍哲南团队再接再厉,创造性研制出世界最新的可拉伸太阳能电池,使电子皮肤可以实现自我发电。如今,鲍哲南团队又利用纳米材料为这种皮肤增加了透明和可拉伸功能,距离人类皮肤的功能越来越近。这项研究10月23日发表在《自然纳米科技》杂志上。

世界顶尖的学科前沿研究者、传道授业解惑的老师、两个孩子的妈妈、远在海外却时刻挂念父母的女儿,鲍哲南在这些角色中转换着、平衡着。犹如一只破茧蜕变的美丽蝴蝶,领舞在学科前沿。

ued最新官方网址 ,鲍哲南接受中新社记者访问时表示,去年发明的电子皮肤虽然可以很灵敏检测到触觉,也可以弯曲,却没有拉伸的功能,弯曲多了还会裂开,原因就在于电极的拉伸性不理想。“我们将这种无机材料制成的电极更换为带有导电功能的碳纳米管,放在透明的衬底上。由于碳纳米管具有非常好的柔软性,可以拉伸两倍以上,回复原位形成小弹簧形状,还能保持非常高的导电率,同时具有透明度。这种透明功能使得电子皮肤可以模仿人类不同肤色的皮肤。

让人造皮肤会“思考”

也有科学家同时在研究人造电子皮肤的可拉伸性,但存在这样那样的问题。鲍哲南说,“有的导电率高却因需加很多碳纳米管造成不透明,有的虽可以拉伸却降低很多导电率。我们克服了这些问题,把碳纳米管变成小弹簧,既简单又可以得到非常好的性能,拉伸幅度最大,导电率最高,比较实用,可以做大面积的,也容易做。

20年后,也许你的生活将是这样的:你手腕上的人造皮肤能随时监测心率、血糖,实现智能把脉;喉咙上的人造皮肤能感受咽喉肌肉运动产生的压力变化,为聋哑人“发声”;你的整个身体可能成为一个“网络中心”,体内的信息跟外界产生连接……

将人造电子皮肤最终赋予与人类皮肤同等功能是鲍哲南的长期研究目标,她表示,要达到这个目标还需要增加温度、湿度等传感器,并能与神经细胞交流。“现在的传感器还不能与神经细胞交流,还需要用电线与细胞连接起来。这些都是我们需要研究的。

这些看起来很遥远,但其实正在孕育着。让人造皮肤知冷热、分轻重,这无疑会使人造皮肤更加智能,应用潜力无限,然而技术挑战极其巨大。无数微小感应器连成一片,密度低了无法获知数据,密度高了又无法像真正皮肤那样细密并可拉伸。鲍哲南团队利用纳米技术等跨学科技术,使柔性电子感应器高度灵敏,同时密度大增。

在中国江苏南京生长的鲍哲南,南京大学化学系还没有念完移民美国,1995年从芝加哥大学取得化学博士学位后进入贝尔实验室工作,2005年起至今在斯坦福大学化学工程系任职。她被称为美国化学界出色的女科学家,多项研究成果发表在《科学》、《自然》等专业期刊上。

鲍哲南说:“我们团队花了多年研制出超强灵敏度的人造皮肤,它由敏感度极高的电子感应器组成,当感应器连成一片时,就如同真正皮肤一样,当一只蝴蝶停在身上,人马上能感觉到。”

这种人造皮肤技术可以被广泛用于假肢、机器人、手机和电脑的触摸式显示屏、汽车方向盘和医学等。

不仅如此,鲍哲南团队再接再厉,研制出世界最新的可拉伸太阳能电池,未来可使人造皮肤自我发电。接着,鲍哲南团队又利用纳米材料为这种皮肤增加了透明度和可拉伸功能,距离人类皮肤的功能越来越近。

2015年,鲍哲南被《自然》杂志评为对全球科学界产生重大影响的年度十大人物之一。2017年,她又获得“世界杰出女科学家奖”。

2018年2月,鲍哲南团队在《自然》杂志上发表的研究再度进入人们视野。柔性电子技术基本通过牺牲电子器件密度来实现可拉伸,局限性较大,且制造工艺复杂。鲍哲南团队开发的新材料,使晶体管阵列密度达到每平方厘米347个,并可在拉伸至两倍长度时性能保持不变。

让事业家庭双赢

1970年11月,鲍哲南出生于中国南京,父母都是南京大学教授。科学氛围浓厚的家庭环境为她打开了科学的大门。从南京大学毕业后,鲍哲南移居美国,学习深造并继续开展科研工作,取得一系列成果。

她同时还是两个孩子的妈妈。作为一名优秀的女科学家,人们常好奇她怎样去平衡事业和家庭。

父亲告诉鲍哲南,人生中完整的幸福包括两个方面:事业成功和家庭美满。维系的原则就是不能牺牲一个去换取另一个,两者都不可偏废。鲍哲南通过提高效率来完成工作,从事科研的时候严谨认真,一分一秒都不舍得浪费,回到家就一定会和家人在一起。

“很幸运,父母从小启发我的科学思维:大胆假设、踏实求证。这让我终身受益。现在我也这样教育我的孩子,激发我学生的科研热情。”她接受母校南京大学采访时这样说道。

让人造皮肤感觉更美

在事业上,鲍哲南的进步或许可归为一直心存理想。鲍哲南对新华社记者说:“一直希望科学研究成果能够运用到生活中,帮助人类。”

她说,目前已开发出部分电性和拉伸性俱佳的高分子材料,但模拟人类复杂的触觉仍有不少挑战需要克服。

接下来,她打算利用人造皮肤帮助靠假肢生活的人们获得触感,并借助相关技术开发血压测量仪器、拥有人造皮肤的机器人以及可穿戴电子器件等。

人造皮肤未来服务于现实生活的前景非常广阔,将为皮肤烧伤等疾病患者带来福音。作为人造皮肤研究的功臣,鲍哲南亦被一些人赞为“世界上最美丽的女人”。

她认为,有意义、有影响力的科研成果离不开跨学科合作和研究,“目前中国科研发展飞速,正迎来大突破时期,希望中国科学家进行更多的跨学科研究,实现更多突破”。

(新华社记者杨骏、张曼)

《中国科学报》 (2018-03-19 第2版 国际)