塑料造的皮肤也能拥有人类触觉?她做到了
2017-04-10 09:53:59   来源:第一财经
内容摘要
科幻电影中才会出现的人造皮肤,或许很快就会成为现实。作为主要发明者,鲍哲南从幕后走到前台。继2015年被权威科研期刊《自然》杂志评为年度十大科学人物之后,近日,鲍哲南获得第19届欧莱雅-联合国教科文组织“世界杰出女科学家成就奖”。

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实验室中的鲍哲南

    鲍哲南手中拿着一款透明的薄膜材料,乍看就像是购物频道中热销的戳不破的保鲜膜。这是一种诞生于美国斯坦福大学化学工程实验室,导电性、拉伸性俱佳的高分子材料。鲍哲南用专业科学术语将它称为“柔性电极”。在未来,作为人造皮肤的材料,一方面,它具备高柔韧度的拉伸性,同时,和人类的皮肤一样,它能够自我修复,还可以进行生物降解。更重要的是,这种材料是“有知觉”的,它有触觉,不仅能感觉刺痛,也能感知周边的温度。

  13年前,在贝尔实验室工作的鲍哲南放弃了巨薪的诱惑和更优渥的待遇,一头扎进了斯坦福大学化学工程系,带着一群学生编织起了一个关于“人造皮肤”的梦想。在最新一期美国《科学进展》杂志上,由鲍哲南领导的研究团队发表了相关的研究成果报告。

  科幻电影中才会出现的人造皮肤,或许很快就会成为现实。作为主要发明者,鲍哲南从幕后走到前台。继2015年被权威科研期刊《自然》杂志评为年度十大科学人物之后,今年3月,鲍哲南获得第19届欧莱雅-联合国教科文组织“世界杰出女科学家成就奖”。站在一群杰出女科学家中间,鲍哲南显得纤细娇小,但她的发明却被业界公认为很可能颠覆现有的电子工业发展的格局。

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第19届欧莱雅-联合国教科文组织“世界杰出女科学家成就奖”授予五位杰出女科学家

  接受第一财经邮件专访时,鲍哲南透露:“我们下一步的计划,要去验证这种材料是否能够植入生物肌体,是否会对肌体造成损害和伤害。”在以男性为主导的顶尖科学领域,鲍哲南犹如她发明的柔性电极,释放着巨大的柔韧力量。

  从解决实际问题入手

  按照鲍哲南的说法,研发柔性电极并将其用于人造皮肤研发,有三个坎要过。“我们现在的电子器件都是用硬性材料做的,在测量中枢神经电流、心脏电流时,植入大脑或心脏的电极可能损坏神经或心脏组织。跟神经接触的电极必须像皮肤一样柔软,但这种材料之前不存在。所以,我们做的一件事情就是把这种柔性材料做出来。”根据《科学进展》的报告,鲍哲南团队曾经选中了一种具有生物相容性,又有很强导电性的塑料。鲍哲南解释说:“之所以选择这种材料,是为保证电极与人体接触时的安全性。”但这种塑料比较脆弱,很容易碎裂,完全不适合作为可穿戴电子器件的载体。

  为了增强这种塑料的韧性和承载能力,鲍哲南和她的团队尝试用一种类似肥皂表面活性剂的分子作为添加剂对材料进行了改良,彻底改变了塑料分子之间的作用力。“由分子形成的小颗粒状形貌在添加剂的作用下变成了渔网状形貌。渔网状形貌具有很高的结构稳定性,从而使原本脆弱的高分子材料变得有韧性,而且极易拉伸。”经过测试,改良后的新材料拉伸到原长度的两倍,仍能保持良好的导电率。

  第二个坎就是让材料拥有人类的触觉和感知力。“为了解决触觉问题,我们特别设计了像金字塔一样的形状的传感器,这种传感器比人类的头发细100倍。附在柔性的材料上,它们仍具有很强的敏感度。”在解决感知力的问题上,鲍哲南团队找寻到了一些电子电路材料,一旦温度或者环境因素发生变化,这些电信号就会发生改变。

  “最后一个挑战是,让传感器和电信号的信息及时通过神经中枢传输到大脑,而大脑也必须理解这些电信号是什么含义。”按照鲍哲南的解释,这就决定了电信号必须以一定的传输方式和一定的形状和大脑“接触”。“所以我们必须设计电子电路,让它们最终变成大脑可以可以理解的信号。”柔性电极已经进入了动物大脑感知验证阶段。

  尽管柔性电极材料可供人类使用的电子皮肤还需时日,但它已经开始发挥现实应用价值。鲍哲南举例说,柔性电极中的触觉传感器可以被用来测试脉搏的跳动,将其变成血压的信息。而其温度传感器,则可以担当锂电池充电时的高温保护装置,一旦出现过热、超热,温度传感器会自动检测并及时切断电源,这种材料的自我修复功能甚至可以让电动汽车的锂电池更加稳定。

  柔性电极是鲍哲南多年来在化学工程领域耕耘的结果。跟随华裔高分子化学家于鲁平,鲍哲南接触到了学科交叉领域最前沿的研究。“这种感受就像一扇新奇无比的科学之门在你面前徐徐打开。”此时,鲍哲南对化学已经有了另一层领悟。“当更深入地走进科学的世界,你会发现,去理解这些公式、理解这些数据是非常必要的。当我意识到了这一点后,数据和公式在我眼中不再显得那么枯燥和抽象,因为,它们是解决具体的问题的方式之一。”

  “暴走英雄”的梦想

  鲍哲南的科研之路走得顺风顺水。博士毕业之后直接进入贝尔实验室,和物理学家、电子工程学家一起工作。跨学科的科学家们不断擦出火花。“我们当时根本没有料想到她能够获得那么大的成就,“在接受媒体采访时,鲍哲南的母亲说,女儿总是出乎他们的意料。”移民到美国之后,身边的朋友就问我,“你们为什么给孩子这么大的压力,逼着她一直往前走?其实,我们哪有给她什么压力,那些压力都是她自己带给自己的。”“在化学工程领域,鲍哲南是一块金字招牌,很多科研基金和经费都是冲着她的研究而来的。”鲍哲南的合作伙伴对她的能力给予了极高的评价。几家科技企业旗下的科研基金已经为鲍哲南的研发项目投入了数百万美元。

  鲍哲南也有过挫折。她在热门的超导体﹑分子电子学和分子晶体科研领域与德国科学家舍恩等人合作过。2002年,舍恩在《自然》、《科学》等权威杂志发表论文,宣布他们制造出了世界上最小的纳米晶体管,这一成果一度被认为具备了冲刺诺贝尔奖的实力。然而,论文的可信度引发了科研领域的诸多非议,针对鲍哲南的猜测和谣言随之而来。不久之后,审查委员会指派专家小组对舍恩的研究项目开展了全面调查,最终,审查委员会在结论报告中对事情有了定性:“舍恩确系造假,而其他20多名参与研究的科学家与舍恩造假案无关。包括鲍哲南在内的其他研究人员并不知情,并没有任何责任和过失,均被证实了清白。”

  “我从来不认为自己是天才或者天赋异禀的那种人,我能做到的就是坚持不懈和保持乐观。”鲍哲南坦言,科研很多时候需要科学思维加“笨办法”。在这一点上,曾在南京大学物理学系担任教授的父亲对她影响非常大。“小时候,父亲在散步的时候突然会问我,冰在落到水上会浮起来还是沉下去,我想当然地回答,因为是固体它会沉下去。父亲就鼓励我做个小实验去验证自己的想法,结果,我看到冰分明浮在水上,这才搞清楚,原来冰的密度比水小。”

  曾经的懵懂少女已经成为拥有改变世界和人类未来生活的女科学家。鲍哲南想要改变的不只是未来,还有当下。鲍哲南每天坚持行走一个小时上下班,这在以车代步的美国很少见,她因此被评为斯坦福大学的“暴走英雄”,头像被印在宣传海报上。“来回走一个小时,既锻炼身体,又可以听听新闻、打打电话,我非常喜欢这种生活方式,所以鼓励身边的人也这么做。”


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