2019年9月，美國化學會出版社宣布設立”ACS Central Science顛覆者與創(chuàng)新者獎”(ACS Central Science Disruptors Innovators Prize),以表彰具有廣泛意義且能推動領域變革、范式轉型和核心科學發(fā)展的科學突破。”ACS Central Science顛覆者與創(chuàng)新者獎”將由評選委員會每兩年評選一次。斯坦福大學的鮑哲南教授成為首位”ACS?Central Science顛覆者與創(chuàng)新者獎”獲得者，該獎項強調具有廣泛相關性的范式轉變的科學突破。作為一名化學工程師，鮑哲南因其“在導電聚合物分子設計及其應用領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發(fā)方面的突出進展”而獲得該獎項。她在這一領域的工作包括開發(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器人。
鮑哲南本科時從中國移民到美國，在獲得博士學位后的第一年在貝爾實驗室從事柔性顯示器的研究。她于2004年加入斯坦福大學任教。附Neil Savage對鮑哲南教授的專訪，談論了她在電子皮膚上的工作以及所涉及的一些內容。
你們團隊工作的動力是什么？
我們正在努力改變電子器件的未來。今天的電子產(chǎn)品都是硬而易碎的。我們設想在未來，電子器件將與我們的穿戴衣物、附著體外或植入體內的東西融合在一起。作為一名化學家，我對于能夠理解新一代電子產(chǎn)品的分子設計而感到非常興奮。
你是如何開始關注電子皮膚的？
20年前，當我開始在貝爾實驗室工作時，我的夢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。一位機械工程的同事當時正在制造一種能爬墻的蟑螂機器人。但是蟑螂一爬到墻頭就會倒下，因為它沒有感覺反饋。就在那時，我對能夠感知觸覺的傳感器產(chǎn)生了興趣。我認為那將是一個很好的切入口，不僅能實現(xiàn)柔性電子技術的應用，還能向生物系統(tǒng)學習。
我們團隊開始模仿人類皮膚的觸感，并思考人類皮膚的所有特性，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計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的電子材料，因為通過設計，它們可以擁有所有這些類似皮膚的特性。為了使聚合物能夠有效地傳輸電子或空穴，傳統(tǒng)觀點認為它們需要具有剛性的晶體結構。然而，對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，我們必須想出設計半導體的新方法，以保證半導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，還能將材料的長度可逆地延長至少兩倍。
如何制造出具有所需特性的半導體?
我們引入了在聚合物半導體中加入動態(tài)化學鍵的概念。這些動態(tài)鍵可以是弱氫鍵或弱金屬配位鍵。它們在應力作用下很容易斷裂，而在應力消除后又會重新連接。如果聚合物拉伸時共價鍵斷裂，它們在室溫下就不能輕易重新連接，因此材料就會發(fā)生永久性損傷。但如果動態(tài)鍵在拉伸過程中被破壞，它們就提供了一個消耗機械能的場所，而不會破壞共價鍵。最后，當應力消除后，聚合物能夠回到原來的狀態(tài)，這些動態(tài)鍵也可以重新連接。其他研究也曾使用過動態(tài)鍵，我們面臨的挑戰(zhàn)是在引入動態(tài)鍵的同時設計出能夠提供良好電荷傳輸?shù)姆肿印?/p>
我們還發(fā)現(xiàn)，將半導體聚合物薄膜制成納米結構時，其延展性比本體聚合物強得多。因此，我們選擇了幾種合適的聚合物制備成半導體聚合物納米纖維。目前，我們已經(jīng)將許多原本脆弱的聚合物變成可拉伸、高性能的半導體聚合物。
設計一個電路，還需要介電層、導電材料，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，我們還需要開發(fā)一種制板工藝，為每種類型的材料制作貼片，這樣就可以構建電路?，F(xiàn)在我們一次可以制造成千上萬個晶體管，制備的功能電路板里面有幾十個晶體管。
電子皮膚真的能重塑觸覺嗎?
觸覺是通過幾種類型的機械感受器的信號組合產(chǎn)生的。我們試圖使電子皮膚傳感器的輸出類似于皮膚機械感受器所產(chǎn)生的輸出，感知壓力、應力或剪切力，并通過電路將這些信號轉換成電脈沖。脈沖電信號基本就是生物機械感受器產(chǎn)生的信號。我們希望電子皮膚能在電脈沖刺激神經(jīng)時產(chǎn)生觸感。但這些還有待測試，現(xiàn)在我們制造的電子皮膚傳感器的數(shù)量和信號處理能力還無法與人類皮膚的復雜性相匹配。我們希望將許多不同類型的傳感器集成到電子皮膚上，產(chǎn)生類似神經(jīng)的信號。
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，這是十分有意義的。
這種電子皮膚的未來有多遠？
這需要長期的發(fā)展，但從短期來看，我們開發(fā)的傳感器已經(jīng)發(fā)展成無創(chuàng)的、可持續(xù)監(jiān)測的可穿戴設備。例如，利用血壓監(jiān)測設備成立了一個附屬公司(PyrAmes)。我們正在開發(fā)其他可穿戴傳感器，通過監(jiān)測汗液或唾液中的化學物質感知人的壓力水平。這些與電路相結合的傳感器可能在未來被用作機器人皮膚，使機器人能夠安全地與人類合作。
原文鏈接：
https://cen.acs.org/materials/electronic-materials/Zhenan-Bao-makes-stretchable-electronics/98/i32
