演讲 | 鲍哲南（美国国家工程学院院士 斯坦福大学可穿戴科技中心主任）

整理 | 笔记侠柯洲

责编 | 邸利会

 

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电子皮肤的核心是晶体管。所以，我想先谈谈晶体管。

 

与普通机械开关不同，晶体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关速度可以非常快。1947年，贝尔实验室发明了晶体管。贝尔实验室一开始非常简陋，后来发现可以用硅做晶体管，用硅片制成的芯片有着惊人的运算能力。硅材料到处都有，沙子里都有，而且很便宜，于是用它做了很多小器件。1958年，又可以做成平板，放很多晶体管。这是非常重要的里程碑，得到了1956年的诺贝尔物理学奖（编者按：因为1947年晶体管的发明，贝尔实验室的John Bardeen, Walter Brattain 和 William Shockley分享了该奖项）。我1995年拿到博士以后也曾在贝尔实验室工作了7年。

 

获奖的人来到硅谷进行生产，研究出生产集成电路的工艺。IBM现在可以把晶体管做到7个纳米，快接近原子级。英特尔创始人摩尔提出，一个芯片上的晶体管数量每过18个月会翻番。由于密度提高，硅片尺寸越大则每片硅片上可以制造的芯片数量就越多，从而制造成本就越低，也就是同样的面积，价格可以更便宜。

 

现在晶体管不可能一直缩小，基本快要到头了，那么半导体和电子工业到底往哪里发展？接下来又有什么新的功能和形貌，可以让电子工业继续往前发展？晶体管物理预算的速度已经达到极限，不可能再往前发展。那么电子工业要有大的发展，电子产品就不能再是很硬很厚的样子——将来的电子产品要能够放在身上、体内，有可折叠的电子屏幕。

 

这些都会带来新的可能性，但是非常难做，硅做的晶体管很脆弱，如果要放在心脏上，它跟心脏一起动，就会断。因此，新一代的晶体管，除了具备电子功能，也要韧性、柔性和可拉伸性。现在的晶体管完全可以贴到人的皮肤上面，做成透明的集成电路，做到柔性、可伸缩性、可生物降解性和自愈性。如果做到，就可以开拓新的方向。

 

1 如何实现远大目标？

 

要实现这个长远的目标，已有的技术到了什么程度？有什么是缺乏的？这就是我们做研究非常重要的一点，长远目标的思考可以使我们的思维更加活跃。我们设置的目标是20年后，我们能做出像皮肤一样的器件。

 

它看起来、摸起来像人的皮肤一样，和人的皮肤有一样的功能，和神经中枢可以通讯，让我们的大脑可以知道这个传输出来的信息。这个20年后的目标，现在貌似是一个科幻的目标，但是未来每五年要做什么，我们很清楚。

 

 

我们来分解下几个目标：传感器、电子电路（把传感的信号变成电信号，使我们大脑可以理解传输来的信息是什么）。

 

我们要发明新的传感器，要选择软性材料来做，做成可以触摸的传感器，这也是人的皮肤最重要的点，于是我们创造了超柔性的传感器。这个传感器感受压力之后，因为是在橡胶里面加上金字塔形状，很容易被压缩，贴在身上的时候也可以做到拉伸性。这个传感器的厚度可以做到比头发还薄。

 

除了可触摸、有温度，还要有化学和生物的传感。我们做人造皮肤的话，还可以增加新的功能，比如人造皮肤可以闻不同的味道，甚至可以把皮肤的信息纪录下来，如病人自己在家里可以自己摸后就传输给医生。

 

我们有了传感器，又如何传输信号给大脑？当我们发现可行的器件之后，就接着开发可拉伸性、自愈性和可生物降解性的材料，现在这些材料还都不存在，我们是先证实这些概念，这样接下来要发明的材料就有了目标性。

 

如何在分子结构上设计这些材料？如何用化学的方式合成这些材料，然后用一定的工艺放到电子器件里面？

 

我们已经做出可修复的导电材料，不但可修复，而且韧性非常强，不容易坏掉。我们的皮肤只能拉伸到一定程度，如果我们找到适当的设计方式，材料不仅可以继续导电，还可以拉伸非常多。现在我们做的晶体管可以拉伸，弯来弯去，用钉子上去压它，它的电流都可以保持不变，虽然给皮肤做，现在还很遥远，但是它开启了电子工业的新可能性。

 

通过之前多年一系列的研究，我们找到很多的材料：半导体材料、导电材料，可拉伸性、自愈性、可降解性的材料。我们现在把一个个基本材料都做出来了。当我们把材料和单个器件都做出来了，新的领域就可以实现。

 

我们前两年都在做工艺方面，做工艺是非常艰难的，它的化学、物理、机械性能都和以前不一样。要把印刷、大面积涂刷等工艺都用到新的产品上，需要我们自己全部去发明并应用。

 

我们现在已经有了一些工艺，可以让我们做出小的晶体管阵列，每一个小点都是可拉伸性的，可以放在手上，这是一个大的突破。

 

 

另外还可以把传感器都集成到机器人手上，让机器人的触摸和控制更加精确。我们在小鼠身上种植过，发现几个月后没有损害到它的身体。所以，也可以把电子器件放在心脏上，比如老人家的心脏跳动不整齐，以后会导致心衰等，病人也很难受。之所以不整齐，是因为心脏的细胞传送的信息紊乱了，但是医生不知道哪个部分是紊乱的，所以以前对心脏就用划一刀的方式，割对了，就好了，割不对，就不好了。现在可以通过电子器件去准确判断。

 

2 整合不同能力和资源

 

我是做化学和材料的，如果想去开发一些更多的新材料，我们在把工艺全都发展后，得找出电子电路应用最好的领域。各位做商业也是如此，发展出一个新的领域后，要去找非常适合的应用去验证，这个领域才能往前发展，大家才会觉得这个领域有前景，然后获得更多的投入。

 

我不可能自己去指导机器人、医生，这就要找斯坦福校内相关的教授和专家，然后把工艺给他们，看他们是否可以用我的工艺，如果适合，就可以很好地合作。

 

为了能够促进这个事情，就要把斯坦福里面每个人的不同能力和资源整合起来，大家就可以一起发现未来新的可能性。去年，我在斯坦福设立了“可穿戴科技中心”，把斯坦福各个系对穿戴器件有兴趣的教授和学生集合在一起，一起去探讨将来这个领域如何发展。

 

我需要会设计电子机械的人，需要会处理、分析和应用数据的人。我们后来和医学院、设计学院等一起落地，大家因此可以一起围绕一个大目标去行动，也会发现新的问题，然后再去解决。

 

可穿戴电子产品的定义很广，智能手表的功能还是非常有限的。我们想做的是在任何表面、体外或体内可以用的。我们要努力去搜集的是对人有用的信息，人们才会长远去用。最重要的是，人造皮肤的电子器件最需要的是普遍性、延续性，可以放在肌肤的任何地方，电子器件可以慢慢融入我们身体的表面和身体内。

 

设立这个中心之后，学院之间就可以合作了。设计学院有一位教授在苹果做过8年设计师，来到斯坦福大学后，在设计学院d. school推广的概念是“设计不光是在设计产品，而是可以应用在生活和研究中”。 可见设计的思维要有很清楚的目标，然后一步步实现。

 

于是他们去采访了一些特别的人。有一个女孩在手指上种植了磁铁，去采访她时，我们所想要的东西就不会被平常思维的框框所框住。在过去，得忧郁症的人，亲戚朋友都无法在平常及时提供帮助。如果通过可穿戴设备，让亲戚朋友知道其精神的状态，当需要帮助的时候，就可以得到帮助。

 

3 把智能手机颠覆掉

 

这是一个可以超越智能手机的世界。最重要的是，它会变成我们身体的一部分，帮助我们做以前做不到的事情，让我们和周围的世界有更好的信息交流。

 

智能手机出来之后，其它已有的产品，包括MP3、摄像机等等都受到颠覆性的影响。所以我们预测，如果柔性电子穿戴的工业发展起来，预计会把智能手机颠覆掉。

 

对于将来电子工业的发展趋势，我们写了一个评论文章到《自然》杂志，9月21日会发布出来，把这个未来的趋势总结出来。我们中心就是在看这个趋势，也和斯坦福其它不同新的中心合作，去找到和解决不同的重要的问题，可穿戴电子设备会颠覆传统电子工业。

 

苹果iWatch出来的时候，苹果CEO库克说，iWatch是第一次把电子器件放在我们的身上，这一类的电子器件以后会改变你我世界。现在只是放在身上，以后会变成我们身体的一部分。

 

我们、杜克大学和谷歌联合起来做一个十年的研究，帮一万个病人带可穿戴设备的电子器件，搜集每天的行动和健康数据，每三个月测试基因和血液变化，一直跟踪十年。从心脏和癌症的角度看身体和基因会怎么变化，为此总共投入了5亿美元。

 

我们组了一个小团队，有心理学家、计算机系、生物工程系等，设置的一个目标是关于人的精神健康。我们现在无法用医疗的手段测试忧郁症以及不同症状的忧郁症，我们一起研究可穿戴器件，看心理学家可否设置指标测试出忧郁症以及特征。

 

我们和不同工业界也有一些合作，我们中心会收集一些会员，每年开两次会议，和我们的教授沟通、合作。

 

4 意想不到的应用领域

 

柔性电子和人工皮肤，不光可以在想象的20年后实现，也可以在近期的交通、汽车、VR/AR有很多的应用。

 

新的材料和器件，在近期可以用到的领域还有哪些？

 

我们发现一些比较有趣的应用，比如柔性的透明电极，应用在手机和计算机屏幕上。目前所用的材料是一种无机的材料，弯曲比较多会裂开，不能多次弯曲。这是在我的课题组很多年前发明的材料，后来两个学生认为对产业非常有希望，通过获得MIT（麻省理工）20万美金的奖，然后在硅谷设立了一家公司，找了一个CEO负责商业。现在公司已经有4轮投资，在韩国和日本有非常多的合作，今年的目标是在中国建厂，大部分客户在韩国和日本。

 

人造皮肤不光在医疗、机器人上可以直接应用，也可以在一些我们意想不到的领域应用，比如在电池方面等。以前大颗粒的硅在膨胀后会损坏，没有人把大颗粒的硅做成稳定的锂电池，我们后来交流后，会裂掉的硅电极使用了可自修复的材料之后，电极是否会稳定？后来测试后，电极都很稳定。

 

用铝做电池是将来电动汽车的发展趋势，但是直接用金属铝，它在生长的时候是一种刺状的结构，就会着火，到目前都没有解决，所以锂电池用金属铝还做不到，然而现在用新材料涂在表面，铝就不会发生刺状生长，就会很稳定。

 

大家知道，电池一旦过热的时候，传感器就会自己把电池断掉，那就可以做成非常薄的薄膜放在电池里面，而且不被电池里面的化学用品腐蚀掉。

 

除了能源的应用，在医疗方面的应用，可以用在无线检测方面，比如把它种植在脑壳里面。当脑子受到机械创伤的时候，万一脑压过大，就会有危险，那如何测脑压呢？如果直接用穿透的方式植入，会比较疼痛，那么现在可以在做手术的时候直接植入，了解脑压情况。

 

测压力的场景还可以是通过连续测试血压，测血压的波形。用人造皮肤，我们在医学院做了一些临床实验。用一个超薄的血压计，套子压住，套子里面有蓝牙，测试出来的数据可以直接传到电脑和手机里。我们用这种方式和医院最标准的方式测出的数据非常吻合。以后我们戴着这个东西就可以预测血压。这是我们最近新的公司，做连续性测血压的产品。

 

另外意向不到的是人造皮肤在碳化之后变成花一样，可以做超级电容器等。

 

5 没有目标和有目标

 

阐述了这么多，就是想说明我们如何设置目标，然后通过不同的方式去发现目前欠缺的地方，通过各个应用领域给我们启发点，让我们重新创新。

 

常常有人问，你们学术界好像也做了很多跟应用有关的东西，学术界研究和工业界研究有什么不同呢？

 

不同之处在于目标方面，材料研究在学术界有两种大的不同的研究方式。一种是没有任何应用目标，想的只是做新材料，比如石墨烯。这个新材料一开始做的时候没有想到任何应用，只是想到碳有多层结构，如果只有一层结构，是否有什么新的性质？这是做研究很常用的方式，不知道未来能干嘛，只知道它会有新的性质，新的性质出来之后再找到新的应用。

 

另外一种常用的方式就是设定一个目标，材料和应用本身是紧密结合的，材料最终是要被使用的，会用在不同的地方。因此我们会设计一个目标，给材料设置性能和指标，然后去做这个材料。

 

一个是没有目标，一个是有目标，这两个都是学术界常有的做材料研究的方式。这两个都需要，因为如果我们没有做创新的时候，不知道有新的创新；后者也需要，我们可以从某个领域的需求去创新，解决一些未来会发生的危机，比如新能源、水处理、新交通等等未来紧迫的事情。

 

工业界学术怎么做呢？它考虑的是3-5年近期的发展目标，而学术界的大目标设定在20年后。我给电子皮肤设定的是20年后的，但是后来发现在近期可以发生很多新的机会。

 

这是非常不同的地方。这样的思维方式可以让我们有更加多的创造力，我们奋战的空间会更大，全是我们在自由地想象和确定新的方向。

 

另外一个，在贝尔实验室和斯坦福做科研的一个重要体会是，创造和创新的环境是非常有关的。哈佛一个教授写了创新者的几个DNA：关联能力、疑问能力、观察能力、社交网络、试验能力。有了想法要去尝试，然后才知道哪些是可行的，哪些是不可行的。我觉得是非常有共鸣的总结。

 

研究一段时间后，我也比较喜欢读一类这样的书，如何促进学生和员工具备创新能力？比如教室的安排，不同的座位方式使得学生和老师的交流方式很不一样。一种是老师是权威，学生听就可以；第二种是小桌子，大家全坐在一起，老师可以走来走去，大家彼此之间也可以有交流，可以有很多互动。不同的环境就导致不一样的交流，而且颜色也很重要。环境对人的影响非常重要。我姐姐在Facebook工作，Facebook很鼓励员工带朋友去它们公司参观和吃饭——它们的环境色彩丰富，让人很舒服。

 

除了环境，人也很重要。我去了贝尔实验室上班，那边有很多诺尔贝奖得主，我很惊讶他们怎么有那么多发明，那里的仪器是那么陈旧。后来我发现实验室的人很不一样，每一个领域的专家都有，我可以在吃饭的时候和不同领域的专家去提问，他们都会很有耐心地和我解释，还会手把手教我怎么做。一个地方的条件和设施可以不怎么好，但是好的人可以带来更好的创新和发现。

 

（本文由鲍哲南教授在GASA大学硅谷行9月10日发表的演讲整理而成，有部分删改）