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美国工程院院士鲍哲南:人造皮肤能否成为现实?

访谈 | 邸利会
责编 | 陈晓雪
 
有一天,你的家庭机器人不仅外形上像极了人,而且皮肤不是钢铁和橡胶,而是如同真正的人的皮肤一样,有触觉、温觉、痛觉等等。这样充满未来感,类似科幻的情景是否会在某天成为现实?
 
鲍哲南是最有资格回答这个问题的人之一。
 
她是一位化学家,斯坦福大学可穿戴电子中心创始人和主任。因为人造电子皮肤的重要工作,她入选《自然》杂志2015年十大科技人物。她还获得了诸多的奖项,如最近的2017年美国化学会应用聚合物科学学奖,2017 欧莱雅-联合国教科文组织女科学家奖。她也是美国国家工程院院士和国家发明研究院院士。2004年加入斯坦福大学之前,她在贝尔实验工作。
 
年初,她接受邀请,连同其他5位新加盟的杰出科学家,正式成为“未来科学大奖科学委员会”21位委员的其中之一。她说,“科学使我可以用另一种方式观察世界。作为一个化学家,我通过分子以及分子反应或者相互反应来观察世界。科学让我们生活更美好,让我们的人生更有趣。” (六位科学大咖加盟“未来科学大奖”评委会,他们是谁?)最近,《知识分子》邀请到鲍哲南,请她谈谈这些年的科学研究,以及和她的名字紧密连接在一起的人造皮肤。
 
《知识分子》:您是如何接受邀请成为未来科学大奖科学委员会委员的?
 
鲍哲南:之前就听说过未来科学大奖,当未来的工作人员和我接触时,我知道这是中国和科学有关的一个大奖,也是中国人自己创立的一个奖,所以,没有什么犹豫就接受了邀请,来一起参与。
 
《知识分子》:您提到,希望这个奖能鼓励中国研究人员致力于解决重大和充满挑战的问题,这方面,您有怎样的经验可以分享?
 
鲍哲南:其实是分成两部分,一是找到合适的有挑战的问题,另外是找到合适的解决方式。首先是需要发现问题。一开始对某个问题还没有很深刻理解的时候,其实都是先从小的想法,小的概念去做起,发一些文章。但是,如果能坚持一个领域,深入之后,慢慢地才会真正理解该领域的局限性在哪里,知道最挑战性的问题后,才会思考,知道怎样的解决方式才是最适合的。
 
我觉得,每个科学家和每个地方的科学总是有一个发展过程的,一开始先进入某个领域,先找到能够发文章的一个角度,但是只要能够坚持下去,去寻找最深刻的问题,不是去找容易解决的问题,而是找不容易解决的问题,这样慢慢地就越发掘越深入,找到最具有挑战的问题。
 
《知识分子》:科研界有一种追热点、做短期研究的现象,您怎么看?
 
鲍哲南:我觉得每个科学家都有从事的一个专门领域,有专长。这个专长一般是不太会随时间变的。比如,我是做材料化学的,高分子是我的专长——虽然在不同阶段会有些许变化。我早期做研究是柔性电子刚刚开始的阶段,那个时候是用高分子化学的知识去解决柔性电子领域最重要的问题;但随着这个领域的发展,到了一定阶段要找下一阶段更加重大的问题的时候,我们的做法是设立更加长远的目标,从柔性变成人造皮肤电子发展方向。所以,不是从一个领域跳到另外一个领域,是在一个领域里面设立新的挑战。如果前10年达到目标了,就去想下一个10年或者20年的目标,这样的话,我们的基础知识是在一直前进,应用方向会有不同的改变。
 
《知识分子》:人造皮肤的课题,最初是什么时候,何种情况下设立的?
 
鲍哲南:基本上到斯坦福大学之后。在贝尔实验室,我基本上都是在做柔性电子,而且已经做成了世界上第一个柔性电子纸,第一个印刷打印出来的有机电子电路。那个时候已经可以看到,虽然柔性电子还没有产业化,但工业界是往那个方向走的,(产业化)只是一个时间问题。
 
所以,到了斯坦福之后,我觉得在学校的研究目标需要比工业界早10到20年。当时,也是很偶然的机会,遇到了机械系的教授。2005年,他们在做机器人。他提到,机器人没有智能的功能,不能感知,比如不能像人的手那样去感知,我们就想柔性电子在这个方面可以有一些贡献的地方。因为机器人的身体都是曲线形的,不是平面型的,所以我们不可以用那些刚硬的电子器件放在机器人身上,就先想到了模拟人手的触觉的功能。
 
比较早期的时候,我们还没有固定的研究经费,我就让学生在做其他项目的空闲时间,慢慢做这方面的研究。很快,我们有了突破,做出了一个像人手一样非常灵敏的一个传感器。所以,那时就给我们一个启发——既然可以做成像人手一样的柔性传感器,那如果我们把电子器件做的不仅像人手的触摸的感觉,也还可以有皮肤的其他的功能,比如拉伸性,自修复性,有生物降解性,把这些功能也放到电子器件里的话,这样我们可以完全改变将来电子产品未来的功能。所以就有这样一个灵感,将来的电子器件就像人的皮肤一样。
 
《知识分子》:我看到现在人造皮肤可以触摸,拉伸,生物降解,目前的进展是什么样的?
 
鲍哲南:感受温度,自修复,生物降解,可拉伸性,这些单一的功能我们都实现了,但还是有局限性的。比如,如果可以自修复,那传感的功能就可能不是很灵敏;或者有拉升性,可以测压力,或者触觉,但不是所有的性能都达到最高的标准。这是因为材料,制作器件的工艺还没有达到所需要的程度。还需更多的研究,才可以将所有的功能都集成到人造皮肤里面。
 
《知识分子》:在您看来,一方面要模拟自然皮肤,但另一方面又需人为设计甚至超越人皮肤的新东西,如何把握这样的关系?
 
鲍哲南:这个一个很好的问题。我们是把人的皮肤作为一个启发点。从设计材料的角度,我们每设计一个材料,都要有一个目标,如果以人的皮肤作为一个启发,人的思维就会有更多的创造力——不是局限于现在已有的电子器件的功能和模式去思维,而是用生物模拟的方式去思维,这样就有一些平常想不到要做的想法。
 
比如之前,我们并没有想到电子材料需要有自修复,或者拉升的功能,但是受到人的皮肤的启发,如果有这样的材料可以让电子器件自修复的话,电子器件使用的时间就会更久。材料根据新的化学设计的方式设计出来,当这样的材料做出来之后,功能并不局限在模拟皮肤的自修复的功能,还具有广泛的意义。比如,当我们把这些自修复的材料用在下一代铝电池中时,发现电池的寿命可以大大延长;另外可以制造新的三维结构,把不同的电子器件不同部分很容易连接起来。所以,也许出发点是一个,但最终开发了很多新的应用和领域,是以前没有想到的。
 
《知识分子》:您当时在贝尔实验室就已经有各个背景的人来合作。在斯坦福的课题组,也是这样。您作为管理者,有怎样的经验?
 
鲍哲南:在斯坦福组团队的时候,我们的目标是做出像人皮肤一样的造皮肤,它有各种不同的功能,是一个系统级的东西。从这个角度上说,就需要不同背景的研究成员,如材料设计,材料合成,材料工艺处理,电机和生物工程等。因为我们有一个很清楚的大目标,就很容易看出哪一部分是欠缺的,就可以招聘这方面的研究者。
 
《知识分子》:他们之间是如何沟通和交流的?
 
鲍哲南:从管理上,确实需要促进不同学科的人互相沟通,一起合作。一方面,在组里,我鼓励大家自发互相合作,不是导师要告诉谁和谁要合作,而是让团队想出要解决的问题,自发去找人合作。比如说,做材料的如果做出一个新材料,我鼓励他和做电机的,做机械的去讨论,看这样的材料在电机或者机械里面,怎样才是最好的应用;如果是做机器人,是机械系的成员的话,如果有材料上的需求,就鼓励他和做材料的人去讨论需求是什么。我们可以自发形成互相的合作。在组里,我提倡大家对项目的进展保持透明,任何项目的讨论,每个成员想加入都可以加入,没有限制,不是一个人已经在某一个项目当中,就不可以去听别的项目,或者去参与,合作新的项目。同时,我们组也会制造一些非正式的接触机会,比如每隔一个星期,有一个快乐时光,大家聊聊天,谈谈新的想法。
 
《知识分子》:最后一个问题是关于技术转化方面,很多科学家也想把自己的技术落地,转化成产品,您有怎样的建议?
 
鲍哲南:我做什么事情都是在实践中学习。技术转化,我们做教授的没有真正学习过怎么样做这个事。但是,只要对自己的技术有信心,有激情,就有机会和很多风险投资人谈,在交流当中,就会有很多很有用的回馈。我们作为科学家,比较清楚的是技术方面的问题,但对市场需求,技术最适合解决市场上的一个什么问题,并不是很清楚,这是需要通过和很多的人交流了解之后,才慢慢知道。根据这些回馈的信息,我们再去想我们的技术最适合满足怎么样的市场需求,找到适合的商业上的目标。
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