電子皮膚或終結(jié)所有智能設(shè)備

Norah

“未來(lái)的世界，已經(jīng)沒(méi)有人使用智能手機(jī)了，手上貼的一塊電子皮膚將滿足你對(duì)智能設(shè)備的所有需求。每天早上，電子皮膚替代鬧鈴將你喚醒。你在刷牙的時(shí)候向電子皮膚發(fā)出需求，廚房自動(dòng)準(zhǔn)備早餐。大腦和眼部安裝了電子傳感器，你用思維傳遞電子控制傳感器開(kāi)燈、關(guān)燈，再用意念通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)挪開(kāi)前方擋路的椅子。吃完早餐，你想了想叫了一架直升機(jī)去上班。直升機(jī)抵達(dá)開(kāi)會(huì)的大樓，眼部傳感器連接VR告訴你接下來(lái)怎么走。你在會(huì)場(chǎng)做演講，在場(chǎng)的聽(tīng)眾通過(guò)大腦傳感器傳達(dá)對(duì)你所演講內(nèi)容的興趣，頭頂燈的顏色反映他們的情緒，而你可以隨時(shí)根據(jù)觀眾的即時(shí)反饋調(diào)整自己的演講節(jié)奏?！币陨线@一段是在化學(xué)工程明星科學(xué)家鮑哲南教授的課上聽(tīng)到的她對(duì)未來(lái)的大膽暢想。鮑教授現(xiàn)執(zhí)教于斯坦福大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，主攻柔性電子材料，2015年被頂級(jí)學(xué)術(shù)科研刊物《自然》雜志列為“對(duì)全球科學(xué)界產(chǎn)生重大影響的年度十大人物”，2017年聯(lián)合國(guó)教科文組織評(píng)其為“世界杰出女科學(xué)家”。鮑教授近日在Nature Electronics雜志上最新發(fā)表的科研文章，描述了她在斯坦福實(shí)驗(yàn)室最新的研究成果——可穿戴無(wú)線皮膚傳感器BodyNet。

BodyNet

BodyNet的形態(tài)非常小，可以像一張小創(chuàng)可貼一樣貼在患者需要觀測(cè)的皮膚表面，便于使用。它將首先被用在醫(yī)療方面，如監(jiān)測(cè)患有睡眠障礙的患者的夜間睡覺(jué)質(zhì)量，呼吸心跳肌肉等表現(xiàn)，或長(zhǎng)期觀測(cè)心臟病患者日常生活中的心臟表現(xiàn)。BodyNet上的傳感器不需要電池，工作原理類似于ID卡：利用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)RFID，從服裝接收器吸收能量，為傳感器供電，然后從皮膚中讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送回接收器。鮑教授團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)穿著舒適，可以隨著皮膚拉伸或收縮，并且不需要電池或剛性電路的材料。她的實(shí)驗(yàn)室也在研發(fā)新傳感器檢測(cè)皮膚的汗液或其他分泌物，并跟蹤體溫和壓力等變量。她希望創(chuàng)造一系列可以貼在皮膚上的無(wú)線傳感器，配合智能設(shè)備共享各種健康指標(biāo)。鮑教授提及，有時(shí)候科學(xué)家們認(rèn)為自己在實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的東西非常好，但市場(chǎng)不一定會(huì)接受。所以產(chǎn)品一定要對(duì)消費(fèi)者有用，或是在已有產(chǎn)品的功能上加新功能。她和Burnett教授暢想，未來(lái)電子皮膚的應(yīng)用場(chǎng)景，可以讓使用者觸摸東西時(shí)不僅有觸覺(jué)感受，也可以有即時(shí)數(shù)據(jù)分析，比如說(shuō)知道表面上是否有細(xì)菌，或者說(shuō)對(duì)觸摸的歷史是否有記錄，甚至是可以通過(guò)用戶手部的抖動(dòng)，預(yù)測(cè)用戶的衰老表現(xiàn)等。能夠使用戶能力提升的應(yīng)用才是市場(chǎng)會(huì)接受的應(yīng)用。這也是他們將來(lái)的開(kāi)發(fā)思路。在用戶習(xí)慣調(diào)研方面，Burnett教授特別提及應(yīng)該不僅僅采訪普通用戶，更應(yīng)采訪的是最先有可能應(yīng)用領(lǐng)先技術(shù)，思想最為超前的人。比如美國(guó)視頻游戲開(kāi)發(fā)者Zoe Quinn曾在自己手掌的拇指和食指之間植入了一枚NFC芯片，以探索開(kāi)發(fā)操控手機(jī)和游戲的新的可能性?！稌r(shí)代》周刊早在2014年9月一篇講述Apple Watch的文章Never Offline中，就詳細(xì)描述并暢想了未來(lái)可穿戴技術(shù)對(duì)人類生活的改變。如今科學(xué)技術(shù)正一步一步使人們對(duì)未來(lái)生活的設(shè)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。然而目前從實(shí)驗(yàn)室成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際生活中的每

日應(yīng)用的產(chǎn)品，未來(lái)有無(wú)數(shù)種可能，但仍然有很長(zhǎng)的路要走。

柔性電子領(lǐng)域的方向和成果

柔性電子領(lǐng)域全球領(lǐng)先的3個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別位于：斯坦福大學(xué)、美國(guó)西北大學(xué)和東京大學(xué)。雖然大家前進(jìn)的研究方式不太一樣，但是期望達(dá)到的目標(biāo)都是一致的。巧的是，這3個(gè)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家早年都來(lái)自貝爾實(shí)驗(yàn)室。貝爾實(shí)驗(yàn)室可謂是柔性電子材料的先行者，2000年就成功制造出當(dāng)時(shí)世界上第一個(gè)用有機(jī)晶體管材料做成的柔性電子紙。目前研發(fā)電子皮膚材料有兩種大思路：一種是使用目前已知的材料，如硅等小的原件，用工業(yè)的方法切薄，加上傳感器再搭配可拉伸的導(dǎo)線，這樣可以達(dá)到類似皮膚拉伸的目的；另一種是如鮑教授團(tuán)隊(duì)，研發(fā)現(xiàn)在還沒(méi)有的材料與皮膚類似的新電子材料設(shè)計(jì)。東京大學(xué)Takao Someya教授致力于研發(fā)可以傳達(dá)人體內(nèi)部情況的電子皮膚。這個(gè)電子皮膚可以給外科醫(yī)生提供體征數(shù)據(jù)，當(dāng)身體在即將生病時(shí)提供警報(bào)，甚至可以通過(guò)觸覺(jué)來(lái)診斷另一個(gè)人體內(nèi)的疾病。Someya團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功研發(fā)了可用于測(cè)試含氧量的電子皮膚。通過(guò)點(diǎn)亮紅色、綠色或藍(lán)色的微電子元件清晰地顯示讀數(shù)。超薄電子皮膚貼在手上可以變成數(shù)字顯示屏顯示信息。Someya希望未來(lái)這些電子皮膚能應(yīng)用于監(jiān)測(cè)手術(shù)過(guò)程中相關(guān)器官的含氧量水平。另一位學(xué)術(shù)大牛美國(guó)西北大學(xué)John Rogers教授的電子皮膚，也已經(jīng)嘗試在各個(gè)方面應(yīng)用。除了在醫(yī)療方面鉆研汗液成分、溫度、壓力等健康信息問(wèn)題，Rogers教授在假肢佩戴感知方面也頗有建樹(shù)。Rogers教授的電子皮膚已有的商業(yè)合作項(xiàng)目都非常有趣，比如說(shuō)使用皮膚紋身監(jiān)測(cè)陽(yáng)光中UV值以及最近和某化妝品品牌達(dá)成的合作，使用比創(chuàng)可貼更小的電子皮膚給客戶測(cè)試皮膚的pH值、含水量等信息，再根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果推薦化妝品。

鮑教授多次提到，做研究的時(shí)候不能只停留在實(shí)驗(yàn)室，而是要在現(xiàn)實(shí)生活中和不同的學(xué)科結(jié)合起來(lái)，才會(huì)對(duì)人類有幫助、有價(jià)值。斯坦福大學(xué)可穿戴設(shè)備研究中心積極將化學(xué)科學(xué)和其他學(xué)科的研究深入聯(lián)合起來(lái)，比如說(shuō)醫(yī)學(xué)院、商學(xué)院等。那么，電子皮膚數(shù)據(jù)收集以后可以應(yīng)用在醫(yī)療或商業(yè)的哪些方面？可穿戴傳感器、電子皮膚是否可以應(yīng)用在其他場(chǎng)景呢？在醫(yī)療領(lǐng)域有可能深度應(yīng)用的項(xiàng)目：一是支持殘疾人操作假肢?？纱┐髟O(shè)備可以和腦科學(xué)、神經(jīng)刺激結(jié)合起來(lái)，比如使用傳感器傳達(dá)殘疾人腦部電信號(hào)以真正感觸并控制假肢運(yùn)動(dòng)。目前實(shí)驗(yàn)室中已成功使小老鼠通過(guò)電信號(hào)傳遞進(jìn)行踢球。二是預(yù)測(cè)腦中風(fēng)。病人脖子通向大腦的血管如果堵塞，就會(huì)引起腦中風(fēng)?？梢詫鞲衅靼卜旁趧?dòng)脈，植入皮下測(cè)量血管的伸張收縮性。如果信號(hào)開(kāi)始變化，那么血管有堵塞的可能。提前預(yù)測(cè)可能減低死亡率，提高病人生存率。三是監(jiān)測(cè)腦部腫瘤。醫(yī)生在開(kāi)顱手術(shù)完成時(shí)，可以在病人顱內(nèi)放入可生物降解的傳感器以監(jiān)測(cè)病人的顱壓。病人自己可以通過(guò)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)觀測(cè)自己的腦壓是否有變化，是否有復(fù)發(fā)的跡象，以提早就醫(yī)。除了以上醫(yī)療領(lǐng)域有可能應(yīng)用的場(chǎng)景，未來(lái)電子皮膚等器件不僅可以放在人體表面或是機(jī)器人表面，更可以放在建筑物、飛機(jī)等大型器械機(jī)件表面以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。甚至在增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)方面，VR目前對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)只有視覺(jué)上的感受。而未來(lái)用戶可以通過(guò)可穿戴設(shè)備傳達(dá)電信號(hào)，真正感受到虛擬世界的真實(shí)。目前，可穿戴電子中心和產(chǎn)業(yè)界、工業(yè)界都有不少合作。比如斯坦福教育學(xué)院已經(jīng)在研究如何從生理數(shù)據(jù)研究?jī)和瘜W(xué)習(xí)方式的學(xué)習(xí)效果，而不僅僅是從成績(jī)。通過(guò)傳感器可以監(jiān)測(cè)兒童學(xué)習(xí)時(shí)的腦電波、心率、甚至汗液的成分來(lái)檢測(cè)注意力是否集中，或者哪種提問(wèn)的方式可以使學(xué)生更有興趣，大腦更加活躍等。電子皮膚現(xiàn)在所處的階段，已經(jīng)不僅僅是頂尖高校里開(kāi)創(chuàng)的實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目?，F(xiàn)實(shí)生活中產(chǎn)業(yè)化越多，商業(yè)化越多，越能加快開(kāi)發(fā)使用。