皮肤也能人造？世界顶尖女科学家的“画皮”计划

在“漫威”的世界中，金刚狼是一个独特的存在。狼叔在被“X武器”组织实验之后，全身的骨架变成了超强的艾德曼合金。更重要的是，狼叔具有超强的自愈合能力，身体被划开口子之后，可以迅速愈合，身体被子弹击中后，子弹会被自动排出！

这些出现在科幻电影里的场景，在“电子皮肤”出现后逐渐变成可能。

具有自修复能力的金刚狼（图源网络）

皮肤是人体最大的器官，它具有超强的感知能力，能够感知外界的温度、压力、湿度，并可以迅速做出反应，也可以在受伤后愈合。皮肤，在人体与外界环境交互的过程中起着不可替代的作用。

那么，如果给机器人穿上这样一层类似人类皮肤的物质，使机器人和环境能够交互，机器人是不是就可以像人类一样更加智能？如果，那些失去触觉的人，可以再次获得用肌肤感知世界的机会，他们的人生能够带来哪些新的可能？

这是许多科学家追求的目标，其中做出最为杰出贡献的，就是斯坦福的华人女科学家、美国工程院院士——鲍哲南教授。

作为“华人女性的骄傲”，鲍哲南教授获得了诸多殊荣。她于2015年当选《自然》杂志年度十大人物，2016年获世界杰出女科学家奖。近日，她因“在导电聚合物分子设计及其应用领域所做的广泛且具有颠覆性的研究，以及在人造电子皮肤和其他生物电子器件开发方面的突出贡献”而成为美国化学会“ACS Central Science颠覆者与创新者奖"的首位获奖者。

电子皮肤，人类下一个电子化趋势

何为人造“电子皮肤”？

简单来说，“电子皮肤”就是像人类皮肤一样具有很好的柔韧性甚至可拉伸性，且具有感知外界温度、压力和湿度等功能的电子传感器件的统称。

近年来，除了“传感”功能，“电子皮肤”也向着具有更好的生物相容性、透气性和可降解性等方向发展，可以说越来越像人类的皮肤；与此同时，随着新材料的发展，某些功能甚至可以超越人类的皮肤，例如具有更高的灵敏度，更快的响应速度和快速自修复特性等。

一般认为“电子皮肤”主要有两个方面的用途：

第一，增强机器人感知功能，让机器人与环境更流畅互动。人工智能领域的行为主义（Actionism），又称进化主义（Evolutionism）学派认为，机器人需要从模拟动物的“感知—动作”开始，才能最终复制出人类的智能。如果我们对于机器人的终极目标，是希望它能够像人类一样耳聪目明不断学习和进化的话，感官是必不可少的。目前，我们已经可以通过摄像头赋予机器人“视觉”、利用听筒给予机器人“听觉”，而人造“电子皮肤”则可以为机器人提供“触觉”。这种柔软，可拉伸，可自愈和可生物降解的“器官”可以使机器人像人一样适应环境并逐渐进化。

未来具有触觉能力的机器人（图源BaoGroup）

第二，改善人类的生活，成为继智能手机后人类的下一个电子化趋势。轻薄、贴合性好是“电子皮肤”的一大特点。因此，“电子皮肤”可以用于更加轻薄的可穿戴电子设备和更加灵敏、多功能的假肢等。

在鲍哲南教授的眼中，未来20年的世界是这样的：脉搏上的电子皮肤能随时监测心率、血糖，实现实时诊断；喉咙上的电子皮肤通过感受咽喉肌肉运动产生的压力变化，让聋哑人“发声”；你的整个身体或将成为一个网络中心，体内的传感器跟外界产生连接，实现实时监测……

“智能手机是现在，而人造电子皮肤是未来，是下一代电子工业发展的方向，而且是不可避免的一个趋势。”在短期内，鲍哲南团队在考虑将人造皮肤用在假肢和机械手上；再往前走，他们还希望可以将人造皮肤植入身体受伤的部位，建立真实存在的神经连接。

如何让电子皮肤感知一个小瓢虫的足迹？

通常来说，从“科学发现”到真正的“工程应用”需要付出更多的努力并面临更大的挑战。例如，自从1947年贝尔实验室肖克莱等人发明半导体晶体管到现在，基于晶体管技术的计算机通过大量的“工程实践”，其性能和应用领域已经今非昔比，超出了肖克莱等人的想象。再比如，我国面临的诸多领域的“卡脖子”问题，包括无法做出光刻机，很大程度上并非“基础研究”缺乏，更多是“工程实践”出了问题。

“电子皮肤”这一领域的发展，既需要“基础研究”，更需要大量具有开创性的“工程实践”。

我们知道传统的高分子材料（例如各种塑料袋和瓶子）通常被用于结构性材料，它们本身是绝缘体，并不导电。20世纪70年代，科学家们发现共轭高分子材料在掺杂情况下具有很好的导电性，自此后，有机高分子电子材料取得了很大发展。比如，基于有机或者高分子材料的有机电致发光二极管，也被称为OLED，以其节能、轻便和柔性的特点，目前已经被广泛用于高端手机和可折叠手机中。

人类皮肤本身就由有机物或者生物高分子（例如多肽和蛋白质等）组成，因此，有机高分子电子材料天然地具有和人类皮肤相似的力学特性（柔软、轻薄）和生物相容性。因此，鲍哲南教授认为有机高分子电子材料是构筑电子皮肤的理想载体之一。

她的团队自20世纪90年代以来，一直从事有机高分子电子材料与器件方面的基础研究工作，并在2008年首次提出使用有机高分子电子材料来模拟“人类皮肤”的功能皮肤研究方向，成为最早开展该领域研究的科研团队之一。

但更重要的是，在扎实的“基础研究”之外，鲍哲南教授团队在有机高分子电子材料的“工程实践”上表现卓越。

在过去十年中，她的课题组开展了跨学科（包括化学、物理、生物和电子等方向）“工程科学”研究和深入广泛的“工程实践”，开发了多种类皮肤的电子材料，涵盖导体、半导体、绝缘体。这些类皮肤的电子材料的电学性能，可与之前表现最好的传统电子材料相媲美。

结合他们开发的创新性加工方法和工程技术，他们成功制造出了可拉伸的集成电路，可以执行数字或模拟电路的功能。此外，他们还成功制备出高密度、可拉伸传感器阵列，其灵敏度非常高，可以感知一只小瓢虫的足迹。

贴在人皮肤上的阵列式传感器（图源BaoGroup）

除了人造“电子皮肤”的相关研究，鲍哲南教授还利用柔性的有机高分子材料，发展了世界上第一个采用全印刷方式制备的全塑料晶体管、展示了第一张以半导体碳纳米管为原料的柔性电子纸、发明了第一个全碳太阳能电池、开发了第一个可完全降解的柔性电子器件等等。她在功能性高分子材料的设计及其应用领域进行的广泛科学研究和工程实践，为未来的电子产业提供了许多颠覆性的技术。

科学精神归根结底就是好奇心和不放弃

1970年11月，鲍哲南出生于南京，成长于一个科研之家。父亲鲍希茂是南京大学的物理系教授，母亲陈慧兰是南京大学的化学系教授。1987年，鲍哲南如愿考取南京大学，进入化学系学习。她从小就表现出对研究的兴趣和热爱，她会惊讶于pH试纸颜色的变化，会好奇硅晶圆上那整齐有序的微型图案。

而对于引起人们广泛关注的“电子皮肤”，鲍哲南教授曾谈到这并非偶然。在贝尔实验室时，她开始接触柔性电子器件，她的梦想是制作可折叠显示器。到斯坦福后，她希望做一些更深入的研究。在一次她和一位机械工程的同事进行交谈的过程中，同事提到现在做的一种能爬墙的蟑螂机器人，它一爬到墙头，没有东西抓住的时候就会掉下来，原因是它没有触觉。

因此她想到，我们一直开发的柔性的高分子电子材料是不是也可以做成一些传感器件，放到机器人或者假肢上，做他们与外界交互的“皮肤”？“电子皮肤”的概念从那时起，开始一步步成为了现实。

在鲍老师实验室工作期间，我印象最为深刻的是她的高效时间规划和超出常人的勤奋。她每天早上5点多钟起床，下午7点多离开实验室，晚上在家继续工作到10点。我曾经多次收到她早上5点多钟发出的电子邮件。

为了锻炼身体，她很少开车，每天早上和傍晚步行半个多小时回家。由于时间安排得满，我们常常需要和她预约时间聊研究工作，聊未来职业发展，而能够约到的时间也常常是她步行回家的时间。她走得很快，以至于我感觉和她走路聊天都成了一种体能锻炼。

我记得有一次，她刚从中国坐飞机回来，就直接来实验室和大家开讨论会。我们问她，有没有时差，不回去休息一下吗？她回答，她已经习惯了忙碌，没有时差，累了就睡一会儿，刚在飞机上休息过了。

鲍老师曾表示：自己不是一个天才，通向成功更多的是需要后天的努力。对于科学研究，最重要的是要坚持不懈，决不放弃，永远乐观。