大牛速览：斯坦福女神和人工电子皮肤
【引语】
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【人物简介】
鲍哲南，女，1970年出生于中国南京，化学家，美国国家工程院院士，斯坦福大学化学工程系教授。1987年鲍哲南考取南京大学化学系；1995年获得美国芝加哥大学化学系博士学位后进入了贝尔实验室任职；2001年获得贝尔实验室杰出研究人员称号；2004年进入斯坦福大学化学系任教；2007年获得斯坦福大学工程教学女教师优秀奖；2010年底作为创办人之一的C3Nano公司在美国硅谷成立；2011年获得影响世界华人大奖；2015年被选为《自然》杂志年度十大人物；2016年当选美国国家工程院院士；2017年获得世界杰出女科学家成就奖。
鲍哲南院士课题组的研究范围包括化学、材料科学、能源、纳米电子学和分子电子学，有机和高分子半导体材料、传感材料、有机半导体晶体管、有机太阳能电池、电子纸、人工电子皮肤。因在人工电子皮肤领域做出了重大贡献，被称为“人工电子皮肤”之母。
【人工电子皮肤背景介绍】
皮肤是人体最大的器官，负责庞大的信息交换。具有舒适、柔软、可自愈、可新陈代谢的特点，它收集外界刺激，并把这些刺激转换成诸如压力、疼痛和温度等人体可以感知的信号。因此，创造出具有类似人类感官能力的人工皮肤一直是人类所向往和追求的。例如，早期的好莱坞大片里的《星球大战》系列、《终结者》系列等电影，向普通大众展示了具有人类感官性能的电子皮肤机器人，创造了一个关于电子皮肤美好未来的愿景。具有多感官表面的自主人工智能机器人可以进行医疗诊断和替代假肢；具有感官和传感功能的机器人可以照顾老人等高度互动任务，也可以利用身体上或体内应用的传感皮肤进行诊断和监测疾病。例如电影《澳门风云3》里所展示的智能机器人，更加智能化和人性化。如今，人们研发出来的机器人越发具有上述人们所希望的性质，在生活中各个领域的运用越来越广泛。
那么下面，我们一起来简要回顾一下人工电子皮肤的发展历程。
【人工电子皮肤的发展历程】
1、人工电子皮肤早期发展的时间简介表
最早是在1974年，Clippinger等人展示了一个能够分离传感器反馈的假肢手。[1] 但是，直到近十年过后，惠普（HP）推出了配备触摸屏的个人电脑（HP-150），用户只需触摸显示屏即可激活功能。它是第一个利用人类触摸的直观性质的大众市场电子设备。1985年，通用电气（GE）利用离散型红外传感器建立了第一个机器人手臂的敏感皮肤，制造的敏感皮肤近端可以意识到周围环境，避免潜在的障碍并在其物理环境中有效地操纵。[2] 从此开启了电子皮肤的发展。在1990s以来，科学家开始使用柔性电子材料来制备大面积、低成本和可印刷的传感器片，使得制备出的电子皮肤具有柔性和更有利于降低生产成本。例如，F. K. Jiang等人通过蚀刻薄硅晶片并将它们集成在柔性聚酰亚胺箔上形成硅微机电岛，是最早提出用于触觉剪切力感测的柔性传感器片之一。[3] 从此，为了提高可靠性、柔性和机械性等性能方面进行了大量的研究工作。在2000年美国国家科学基金会和国防部高级研究计划局的支持下，第一届“敏感皮肤研讨会”在华盛顿特区召开，汇集了来自学术界、工业界和政府不同的部门约60名研究人员，经过讨论发现人们对于从机器人到医疗保健等各种应用的电子皮肤存在极大的兴趣。在2001年，Vladimir J. Lumelsky等人总结了电子皮肤的概念和应用领域，是第一篇关于电子皮肤的综述。[4] 最开始称电子皮肤为敏感皮肤，是一种大面积、灵活的传感器阵列，具有数据处理功能，可用于覆盖机器的整个表面甚至是人体的一部分。根据皮肤电子设备，它赋予其载体能够通过皮肤的接近、触摸、压力、温度、化学/生物或其他传感器感知其周围环境。文中还总结了需要解决的现有技术和研究问题，以使敏感皮肤成为现实。自此，关于电子皮肤的研究开始了一轮又一轮的浪潮。其中，在2010年是电子皮肤发展的又一个重要里程碑。鲍哲南教授团队在Nat. Mater.上报道了以有机场效应晶体管(OFET)为突破口, 将微结构化的橡胶绝缘层引入OFET中, 制备了压力感知灵敏度(8.4 kPa-1)堪比人体皮肤的有机压力传感器。[5] 首次报道OFET同时作为灵敏压感元件、换能元件和信号放大元件。相关结果迅速引起了国际同行的广泛关注，在电子皮肤研究领域引发新的一轮浪潮。
2、鲍哲南教授团队对人造电子皮肤发展的重大贡献
然而，由于有机电子材料与器件具有柔韧性好、轻薄和生物相容性好等特性, 因此是构筑电子皮肤的理想载体之一。而鲍哲南教授团队自20世纪90年代以来一直从事有机电子材料与器件方面的研究。因此，在2008年鲍哲南教授团队开始电子皮肤方面的研究, 成为最早开展该领域研究的科研团队之一。[6,7] 经过两年的研究和探索, 在2010年鲍哲南教授团队在Nat. Mater. 上报道了生物相容性好的弹性体聚二甲基硅氧烷薄膜制备的灵活的电容式压力传感器，使电子皮肤具有前所未有的灵敏度和非常短的响应时间。[5, 8] 并且微结构化薄膜的压力敏感性高，可以被集成到有机场效应(OFET)晶体管中作为介电层，形成具有类似优异灵敏度和响应时间的新型有源传感器器件。首次报道了OFET同时作为灵敏压感元件、换能元件和信号放大元件,这种灵敏传感器也可用于微小物体感知和人体生理信号检测。
接着，在之后的研究中, 鲍哲南教授团队希望赋予电子皮肤更多的人体皮肤所具有的特性，例如压力感知、可拉伸性和透明性。在2011年鲍哲南教授团队于Nat. Nanotech.上发表了新型电子皮肤方面的研究成果。[9] 新型电子皮肤是基于碳纳米管/橡胶复合薄膜，不仅具有高灵敏的压力感知能力, 而且还展示出优异的可拉伸性和透明性。该纳米管具有类似弹簧的结构，其适应高达150％的应变并且在拉伸状态下显示高达2200 S cm-1的电导率，可以作为可拉伸电容器阵列中的电极。
针对人体皮肤的压力敏感性和机械自我修复性两大特性，在2012年鲍哲南教授团队报道了由超分子有机聚合物和嵌入的镍纳米结构微粒组成的复合材料，其在环境条件下显示出机械和电学自愈合特性，在室温下具有重复自修复能力的压敏电子皮肤。[10] 通过改变镍颗粒的量来调节电导率，并且可以达到高达40 S cm-1。在破裂时，初始电导率在15 s后以约90％的效率重复恢复，并且在约10 min后机械性能完全恢复。推动电子皮肤领域向更加智能化的方向发展。
其中，由于柔性和可拉伸电子和光电子学在能源生产、生物医学、机器人和显示器方面具有巨大潜在的应用价值，所以得到科研人员的广泛关注。结合他们人的研究，鲍哲南教授团队总结了John Rogers教授团队及其他研究团队等人在适合可拉伸发光二极管（LEDs）与电子皮肤集成方面的研究，这些LED可能用于实现感测数据的视觉读出或直接在人造皮肤本身上产生显示。[11] 在2013年，鲍哲南教授团队报道了在单片晶体管设计中微结构聚二甲基硅氧烷电介质和高迁移率半导体聚异靛蓝双噻吩—硅氧烷组合的柔性压敏有机薄膜晶体管。[12] 最大灵敏度为8.4 kPa-1，快速响应时间<10 ms，超过15000次循环的高稳定性和<1 mW的低功耗。可用于非侵入性、高保真、连续桡动脉脉搏波监测，对于移动健康监测和心血管医学远程诊断具有重大意义。
在此后的几年里，针对有机场效应(OFET)晶体管的性质和运用，鲍哲南教授团队进行了更深入系统的研究，并取得令人称奇的成绩。同时，在2015年，他们又针对人体皮肤依赖于皮肤受体，其输出用于触觉感测的数字信号，其中刺激的强度被转换成一系列电压脉冲。推出了一款高效节能的机械感应器，可直接将压力转换为数字频率信号，输出频率范围在0~200 Hz之间。[13] 首次让脑神经接收到了人造电子皮肤上的触觉信号。要实现压力信息从电子皮肤向大脑的传导，首先将施加于皮肤上的压力转化为动作电位序列, 而动作电位的放电频率则是压力大小的度量。压力越大, 动作电位频率越高, 通常人体皮肤感受器产生的动作电位分布在0~200 Hz之间。然后这些压力刺激产生的动作电位通过神经细胞传导到大脑, 形成触觉。这项工作进一步推动设计和使用大面积有机电子皮肤，并将人类触觉延伸到了人造电子皮肤上, 并有望实现有感觉的义肢。
同年，根据变色龙和头足类动物具有改变皮肤颜色的显着能力的自然现象，他们通过改变施加的压力以及施加的压力持续时间控制电子皮肤颜色。[14] 可拉伸、高度可调的电阻式压力传感器和完全可拉伸的有机电致变色设备的集成使得能够展示具有触觉感应控制的可拉伸的电致变色活性电子皮肤。
通过在有机聚合物等材料的深入研究，针对躯体感觉系统中分布的受体、神经元和突触网络有效地处理复杂的触觉信息，为了使电子皮肤能与人脑神经相链接。在2018年，鲍哲南教授团队在Science上报道了使用柔性有机电子设备来模仿感觉神经的功能。[15] 通过人工传入神经从压力传感器集群收集压力信息(1~80 kPa)，在使用环形振荡器将压力信息转换为动作电位(0~100 Hz)，并将来与突触晶体管集成在一起。此外，将人工传入神经与运动神经连接起来，构建一个混合生物电子反射弧来驱动肌肉，在神经机器人和神经修复术中具有潜在的应用。
针对在健康监测、医疗植入物和生物学研究等方面都非常需要能够无缝地粘附到人体皮肤或体内的皮肤状电子器件，需要柔软且可拉伸的电子皮肤更好的与人体皮肤粘附以获得更实时的信号。虽然通过使用本征上可拉伸的聚合物材料提供所需的参数（更高的机械可变形性和坚固性），可以改善皮肤相容性和更高的装置密度达到现实需求，但是本征上可拉伸的材料和器件的生产由于缺乏可扩展的制造技术，仍处于起步阶段。同年，鲍哲南教授团队在Nature上报道了一种制造工艺，可以从各种本征上可拉伸的电子聚合物中获得高产量和均匀性。 [16] 实验结果证实了该晶体管阵列构成的本征上可拉伸的皮肤电子器件可以用于传感阵列的有源矩阵以及模拟和数字电路元件。并且该工艺为合并其他本征上可拉伸的聚合物材料提供了一个通用平台，可以用于制造下一代可拉伸皮肤电子设备。
【总结】
综上所述，鲍哲南教授团队的系列研究成果是成为引发柔性电子皮肤研发浪潮的重要因素, 直接且快速的推动该领域的发展。而今，在美国斯坦福大学、日本东京大学、中国科学院化学研究所、新加坡南洋理工大学等全世界众多科研单位的科研人员的努力下, 人造的柔性压敏电子皮肤研究取得了迅猛发展。[17-21] 并且相继报道了大面积、超灵敏压敏柔性电子皮肤，新型电子皮肤可以同时对压力和温度两个参数的感知, 使电子皮肤的功能更接近人类皮肤。虽然鲍哲南教授团队在柔性电子皮肤方面取得了重大成果,从“灵敏压感电子皮肤”、“可拉伸电子皮肤”、“自修复电子皮肤”、“会变色的电子皮肤”到最近的“可触动脑神经的电子皮肤”，但是电子皮肤仍然在集成性、兼容性和更高灵敏性等方面存在许多挑战。相信随着科学家们对电子皮肤不断深入的研究, 在不久的将来正如电影里所展现的那样，与人类触觉相当的智能机器人也定将会面世。
由于内容有限，该领域很多科研工作者的成绩并未展现，但是你们的努力是有目共睹、不可磨灭的。感谢所有为人造电子皮肤发展做出贡献的科研人员，正是你们默默的坚持与付出，才有人造电子皮肤如今的发展现状。相信在未来智能机器人大众化、普遍化不是梦！
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【参考文献】
[1]. F. W. Clippinger, R. Avery, B. R. Titus, Bull. Prosthetics Res. 1974, 247.
[2]. Vintage Computing and Gaming homepage, www.vintagecomputing.com, accessed: September 2013.
[3]. F. K. Jiang, Y. C. Tai, K. Walsh, T. Tsao, G. B. Lee, C. M. Ho, in Proc. IEEE Tenth Annu. Int. Workshop on Micro. Electro. Mech. Syst., Nagoya, Japan, 1997, pp.465–470.
[4]. V. J. Lumelsky, M. S. Shur, S. Wagner, IEEE Sensors J. 2001, 1, 41.
[5]. S. C. B. Mannsfeld, B. C. K. Tee, R. Stoltenberg, C. V. H. H. Chen, S. Barmann, B. V. O. Muir, A. N. Sokolov, C. Reese, Z. Bao, Nat. Mater., 2010, 9, 859-864. (Selected as a Top 100 science story of 2010, by Discover Magazine.)
[6]. M. C. LeMieux, Z. Bao, Nat. Nanotech., 2008, 3, 585-586.
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[8]. Y. Ito, A. Virkar, S. C. B. Mannsfeld, J. H. Oh, M. Toney, J. Locklin, Z. Bao, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 9396-9404. (Highlighted by MIT Technology Review)
[9]. D. J. Lipomi, M. Vosgueritchian, B. C-K. Tee, S. L. Hellstrom, J. A. Lee, C. H. Fox, Z. Bao, Nat. Nanotech., 2011, 6, 788-792.
[10]. B. Tee, C. Wang, R. Allen, Z. Bao, Nat. Nanotech., 2012, 7, 825-832.
[11]. (Invited Commentary) M. Vosgueritchian, J. B.-H. Tok, Z. Bao, Nature Photonics, 2013, 7, 769-771.
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[16]. S. Wang, J. Xu, W. Wang, G.-J. N. Wang, R. Rastak, F. Molina-Lopez, J. W. Chung, S. Niu, V. R. Feig, J. Lopez, T. Lei, S.-K. Kwon, Y. Kim, A. M. Foudeh, A. Ehrlich, A. Gasperini, Y. Yun, B. Murmann, J. B.-H. Tok, Z. Bao, Nature, 2018, 555, 83-88.
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[18]. Xu S, Zhang Y, Jia L, et al., Science, 2014, 344, 70-74.
[19]. Zang Y, Zhang F, Huang D, et al., Nat. Commun., 2015, 6, 6269.
[20]. Kaltenbrunner M, Sekitani T, Reeder J, et al., Nature, 2013, 499, 458-463.
[21]. Zhang F, Zang Y, Huang D, et al., Nat. Commun., 2015, 6, 8356.
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