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斯坦福大學新研發的電子皮膚,可能終結所有智能設備

2019年9月4日 14:42  硅谷洞察  

未來的世界,已經沒有人使用智能手機,手上貼的一塊電子皮膚將滿足你對智能設備的所有需求。

每天早上,電子皮膚替代鬧鈴將你喚醒。你在刷牙的時候向電子皮膚發出需求,廚房自動準備早餐。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燈關燈,再用意念通過物聯網挪開前方擋路的椅子。

吃完早餐,你想了想叫了一架直升飛機去上班。直升機抵達開會的大樓,眼部傳感器連接VR告訴你接下來怎么走,不需要走彎路。

你在會場做演講,在場的聽眾通過大腦傳感器傳達對你所演講內容的興趣,頭頂燈的顏色反應他們的情緒,而你可以隨時根據觀眾的即時反饋調整自己的演講節奏。

小探今天并沒有改行寫科幻小說,以上這一段是小探在高山大學2019級秋季班硅谷斯坦福之行,在化學工程明星科學家鮑哲南教授的課上聽到鮑教授對未來的大膽暢想。

(鮑哲南教授,版權屬于原作者)

(鮑哲南教授,版權屬于原作者)鮑教授現執教于斯坦福大學化學工程學院, 主攻柔性電子材料,2015年被頂級學術科研刊物《自然》雜志列為“對全球科學界產生重大影響的年度十大人物”,2017年聯合國教科文組織評其為“世界杰出女科學家”

鮑教授本月在Nature Electronics雜志最新發表的科研文章,描述了她在斯坦福實驗室最新的研究成果 - 可穿戴無線皮膚傳感器BodyNet。在高山大學硅谷站課堂上,鮑教授給同學們分享了今天,小探就來帶大家了解一下鮑教授實驗室最新發布的成果,以及全球頂尖實驗室在柔性電子領域的科研前沿。

(手腕上的電子皮膚將脈沖讀數發送至衣服上的接收器。圖片來源:斯坦福官網Bao Lab)

(手腕上的電子皮膚將脈沖讀數發送至衣服上的接收器。圖片來源:斯坦福官網Bao Lab) 鮑哲南教授最新科研成果 - BodyNet

鮑教授介紹,BodyNet的形態非常小,可以像一張小創可貼一樣貼在患者需要觀測的皮膚表面,便于使用。它將首先被用在醫療方面,如監測患有睡眠障礙的患者夜間睡覺質量,呼吸心跳肌肉等表現;或長期觀測心臟病患者日常生活中的心臟表現。

BodyNet傳感器不需要電池,工作原理類似于ID卡:利用無線射頻識別技術RFID,從服裝接收器吸收能量,為傳感器供電,然后從皮膚讀取數據并發送回接收器。鮑教授團隊的目標是開發穿著舒適,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。

(用金屬墨水將天線和傳感器絲網印刷到可延展材料上,該貼紙設計用于粘附于皮膚表面以跟蹤脈搏和其他健康數值。圖片來源:斯坦福官網Bao Lab)

(用金屬墨水將天線和傳感器絲網印刷到可延展材料上,該貼紙設計用于粘附于皮膚表面以跟蹤脈搏和其他健康數值。圖片來源:斯坦福官網Bao Lab)

她的實驗室也在研發新傳感器檢測皮膚的汗液或其他分泌物,并跟蹤體溫和壓力等變量。她希望創造一系列可以貼在皮膚上的無線傳感器,配合智能設備共享各種健康指標。

文章最開始鮑教授講述的片段,是她和斯坦福大學Bill Burnett教授一起暢想的未來場景。后者現在任教于機械工程學院設計方向,曾領導蘋果產品設計團隊,著有暢銷作品《做自己的生命設計師》。

(Burnett教授著作,截圖自豆瓣)

(Burnett教授著作,截圖自豆瓣)

鮑教授提及,有時候科學家們認為自己在實驗室發明的東西非常好,但市場不一定會接受。所以產品一定要對消費者有用,或是在已有產品的功能上加新功能。

她和Burnett教授暢想,未來電子皮膚的應用場景,可以使使用者觸摸東西時不僅有觸覺感受,也可以有即時數據分析,比如說知道表面上是否有任何細菌;或者說對觸摸的歷史有記錄;甚至可以通過用戶手部的抖動,預測用戶的衰老表現等。能夠使用戶能力提升的應用才是市場會接受的應用。這也是他們思考將來的開發思路。

在用戶習慣調研方面,Burnett教授特別提及應該不僅僅采訪普通用戶,更應采訪的是最先有可能應用領先技術,思想最為超前的人。比如美國視頻游戲開發者Zoe Quinn曾在自己手掌的拇指和食指之間植入了一枚NFC芯片,以探索開發操控手機和游戲新的可能性。

時代周刊早在2014年9月一篇講述Apple Watch的文章Never Offline就詳細描述并暢想了未來可穿戴技術對人類生活的改變。如今科學技術正一步一步使人們對未來生活的設想照進現實。然而目前從實驗室成果轉化為實際生活中的每日應用的產品,未來有無數種可能,但仍然有很長的路要走。

(圖片來源:TIME)

(圖片來源:TIME)

柔性電子領域,全球其他科研實驗室的方向和成果如何?

鮑教授介紹,在柔性電子領域全球領先的三個實驗室分別位于:斯坦福大學、美國西北大學和東京大學。雖然大家前進的研究方法不太一樣,但是期望達到的目標都是一致的。巧的是,三個實驗室的科學家早年都來自貝爾實驗室。貝爾實驗室可謂是柔性電子材料的先行者,2000年就成功制造出當時世界上第一個用有機晶體管材料做成的柔性電子紙。

目前研發電子皮膚材料有兩條大思路:一個是使用目前已知的材料,如硅等小的原件,用工業的方法切薄,加上傳感器,再搭配可拉伸的導線,這樣可以達到類似皮膚拉伸的目的;另一種如鮑教授團隊,研發現在還沒有的材料,研發更加和皮膚類似的新電子材料設計。

東京大學Takao Someya教授致力于研發可以傳達人體內部情況的電子皮膚。這個電子皮膚可以給外科醫生提供體征數據,當身體將生病時提供警報,甚至可以通過觸覺來診斷另一個人體內的疾病。

(圖片截圖自CNN,版權屬于原作者)

(圖片截圖自CNN,版權屬于原作者)

 Someya團隊已經成功研發了可用于測試含氧量的電子皮膚。通過點亮紅色,綠色或藍色的微電子元件清晰地顯示讀數。超薄電子皮膚貼在手上可以變成數字顯示屏顯示信息。Someya希望未來這些電子皮膚能應用于監測手術過程中相關器官的含氧量水平。

(Someya教授研發的電子皮膚,版權屬于原作者)

(Someya教授研發的電子皮膚,版權屬于原作者)

另一位學術大牛美國西北大學John Rogers教授的電子皮膚也已經嘗試在各個方面應用。除了在醫療方面鉆研汗液成分、溫度、壓力等健康信息,Rogers教授在假肢佩戴感知方面也頗有建樹。

(John Rogers教授和他帶領研發的電子皮膚,可以在身體的任何地方佩戴。版權屬于原作者)

(John Rogers教授和他帶領研發的電子皮膚,可以在身體的任何地方佩戴。版權屬于原作者) Rogers教授的電子皮膚已有的商業合作項目非常有趣,比如說使用皮膚紋身監測陽光中UV值。以及最近和某化妝品品牌達成的合作,使用比創可貼更小的電子皮膚給客戶測試皮膚的pH值、含水量等信息,再根據數據結果推薦化妝品。

(圖片來自Engadget,版權屬于原作者)

(圖片來自Engadget,版權屬于原作者)

電子皮膚柔性材料未來可應用的場景還有哪些?

鮑教授在課堂上多次提到,做研究的時候不能只停留在實驗室,而是要在現實生活中和不同的學科相結合起來,才會對人類有幫助有價值。斯坦福大學可穿戴設備研究中心積極將化學科學和其他學科的研究深入聯合起來,比如說醫學院、商學院等。

那么,電子皮膚數據收集以后可以應用在醫療或商業的哪些方面?可穿戴傳感器、電子皮膚是否可以應用在其他場景呢?

醫療領域有可能深度應用的項目:

支持殘疾人操作假肢。可穿戴設備可以和腦科學、神經刺激結合起來,比如使用傳感器傳達殘疾人腦部電信號以真正感觸并控制假肢運動。目前實驗室中已成功使小老鼠通過電信號傳遞進行踢球。

(伊利諾伊大學今年在Nature Biomedical Engineering發表的新研究,版權屬于原作者)

(伊利諾伊大學今年在Nature Biomedical Engineering發表的新研究,版權屬于原作者)

 預測腦中風。病人脖子通向大腦的血管如果堵塞,就會引起腦中風。可以將傳感器安放在動脈,植入皮下測量血管的伸張收縮性。如果信號開始變化,那么血管有堵塞的可能。提前預測可能減低死亡率,提高病人生存率。

監測腦部腫瘤。醫生在開顱手術完成時,可以在顱內放入可生物降解的傳感器以監測病人的顱壓。病人自己可以通過設備傳輸數據觀測自己腦壓是否有變化,是否有復發的跡象,以提早就醫。

除了以上醫療領域有可能應用的場景,未來電子皮膚等器件可以不僅放在人體表面或是機器人表面,更可以放在建筑物、飛機等大型器械基建表面以監測數據。

甚至在增強虛擬現實方面,VR目前對于用戶來說目前只有視覺的感受。而未來通過用戶可以通過可穿戴設備傳達電信號,真正感受到虛擬世界的真實。

目前,可穿戴電子中心和產業界、工業界都有不少合作。比如斯坦福教育學院已經在研究如何從生理數據研究兒童學習方式的學習效果,而不僅僅是從成績。通過傳感器可以監測兒童學習時的腦電波、心率、甚至汗液的成分來檢測注意力是否集中,或者哪種提問的方式可以使學生更有興趣,大腦更加活躍。

電子皮膚現在所處階段,已經不僅僅是頂尖高校里開創的實驗室項目。現實生活中產業化越多,商業化越多,越能加快開發使用。

小伙伴們一起來開動腦洞,你能想到電子皮膚還有哪些應用場景?歡迎在下方留言,讓前沿的科學家們聽到我們的聲音,一起創造未來!

參考文章:

http://www.ntech.t.u-tokyo.ac.jp/en/profile/

https://bioelectronics.northwestern.edu/people/rogers-john.html

編 輯:章芳
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