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呼之欲出:颠覆智能手机的新物种

2017年10月18日 13:37 来源于 财新网
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20年后,电子器件将融入人的身体
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。图/视觉中国

  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

  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)

  作品来源:《知识分子》(微信公号:The-Intellectual)

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责任编辑:于达维 | 版面编辑:张翔宇
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