呼之欲出：顛覆智慧型手機的新物種
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演講 | 鮑哲南（美國國家工程學院院士 史丹福大學可穿戴科技中心主任）
整理 | 筆記俠柯洲
責編 | 邸利會
知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual
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電子皮膚的核心是電晶體。
所以，我想先談談電晶體。
與普通機械開關不同，電晶體利用電訊號來控制自身的開合，而且開關速度可以非常快。
1947年，貝爾實驗室發明了電晶體。
貝爾實驗室一開始非常簡陋，後來發現可以用矽做電晶體，用矽片製成的晶片有著驚人的運算能力。
矽材料到處都有，沙子裡都有，而且很便宜，於是用它做了很多小器件。
1958年，又可以做成平板，放很多電晶體。
這是非常重要的里程碑，得到了1956年的諾貝爾物理學獎（編者按：因為1947年電晶體的發明，貝爾實驗室的John
Bardeen, Walter Brattain 和 William Shockley分享了該獎項）。
我1995年拿到博士以後也曾在貝爾實驗室工作了7年。
獲獎的人來到矽谷進行生產，研究出生產集成電路的工藝。
IBM現在可以把電晶體做到7個納米，快接近原子級。
英特爾創始人摩爾提出，一個晶片上的電晶體數量每過18個月會翻番。
由於密度提高，矽片尺寸越大則每片矽片上可以製造的晶片數量就越多，從而製造成本就越低，也就是同樣的面積，價格可以更便宜。
現在電晶體不可能一直縮小，基本快要到頭了，那么半導體和電子工業到底往哪裡發展？接下來又有什麼新的功能和形貌，可以讓電子工業繼續往前發展？電晶體物理預算的速度已經達到極限，不可能再往前發展。
那麼電子工業要有大的發展，電子產品就不能再是很硬很厚的樣子——將來的電子產品要能夠放在身上、體內，有可摺疊的電子螢幕。
這些都會帶來新的可能性，但是非常難做，矽做的電晶體很脆弱，如果要放在心臟上，它跟心臟一起動，就會斷。
因此，新一代的電晶體，除了具備電子功能，也要韌性、柔性和可拉伸性。
現在的電晶體完全可以貼到人的皮膚上面，做成透明的集成電路，做到柔性、可伸縮性、可生物降解性和自愈性。
如果做到，就可以開拓新的方向。
1 如何實現遠大目標？
要實現這個長遠的目標，已有的技術到了什麼程度？有什麼是缺乏的？這就是我們做研究非常重要的一點，長遠目標的思考可以使我們的思維更加活躍。
我們設置的目標是20年後，我們能做出像皮膚一樣的器件。
它看起來、摸起來像人的皮膚一樣，和人的皮膚有一樣的功能，和神經中樞可以通訊，讓我們的大腦可以知道這個傳輸出來的信息。
這個20年後的目標，現在貌似是一個科幻的目標，但是未來每五年要做什麼，我們很清楚。
我們來分解下幾個目標：傳感器、電子電路（把傳感的信號變成電信號，使我們大腦可以理解傳輸來的信息是什麼）。
我們要發明新的傳感器，要選擇軟性材料來做，做成可以觸摸的傳感器，這也是人的皮膚最重要的點，於是我們創造了超柔性的傳感器。
這個傳感器感受壓力之後，因為是在橡膠裡面加上金字塔形狀，很容易被壓縮，貼在身上的時候也可以做到拉伸性。
這個傳感器的厚度可以做到比頭髮還薄。
除了可觸摸、有溫度，還要有化學和生物的傳感。
我們做人造皮膚的話，還可以增加新的功能，比如人造皮膚可以聞不同的味道，甚至可以把皮膚的信息紀錄下來，如病人自己在家裡可以自己摸後就傳輸給醫生。
我們有了傳感器，又如何傳輸信號給大腦？當我們發現可行的器件之後，就接著開發可拉伸性、自愈性和可生物降解性的材料，現在這些材料還都不存在，我們是先證實這些概念，這樣接下來要發明的材料就有了目標性。
如何在分子結構上設計這些材料？如何用化學的方式合成這些材料，然後用一定的工藝放到電子器件裡面？
我們已經做出可修復的導電材料，不但可修復，而且韌性非常強，不容易壞掉。
我們的皮膚只能拉伸到一定程度，如果我們找到適當的設計方式，材料不僅可以繼續導電，還可以拉伸非常多。
現在我們做的電晶體可以拉伸，彎來彎去，用釘子上去壓它，它的電流都可以保持不變，雖然給皮膚做，現在還很遙遠，但是它開啟了電子工業的新可能性。
通過之前多年一系列的研究，我們找到很多的材料：半導體材料、導電材料，可拉伸性、自愈性、可降解性的材料。
我們現在把一個個基本材料都做出來了。
當我們把材料和單個器件都做出來了，新的領域就可以實現。
我們前兩年都在做工藝方面，做工藝是非常艱難的，它的化學、物理、機械性能都和以前不一樣。
要把印刷、大面積塗刷等工藝都用到新的產品上，需要我們自己全部去發明並應用。
我們現在已經有了一些工藝，可以讓我們做出小的電晶體陣列，每一個小點都是可拉伸性的，可以放在手上，這是一個大的突破。
另外還可以把傳感器都集成到機器人手上，讓機器人的觸摸和控制更加精確。
我們在小鼠身上種植過，發現幾個月後沒有損害到它的身體。
所以，也可以把電子器件放在心臟上，比如老人家的心臟跳動不整齊，以後會導致心衰等，病人也很難受。
之所以不整齊，是因為心臟的細胞傳送的信息紊亂了，但是醫生不知道哪個部分是紊亂的，所以以前對心臟就用劃一刀的方式，割對了，就好了，割不對，就不好了。
現在可以通過電子器件去準確判斷。
2 整合不同能力和資源
我是做化學和材料的，如果想去開發一些更多的新材料，我們在把工藝全都發展後，得找出電子電路應用最好的領域。
各位做商業也是如此，發展出一個新的領域後，要去找非常適合的應用去驗證，這個領域才能往前發展，大家才會覺得這個領域有前景，然後獲得更多的投入。
我不可能自己去指導機器人、醫生，這就要找斯坦福校內相關的教授和專家，然後把工藝給他們，看他們是否可以用我的工藝，如果適合，就可以很好地合作。
為了能夠促進這個事情，就要把斯坦福裡面每個人的不同能力和資源整合起來，大家就可以一起發現未來新的可能性。
去年，我在斯坦福設立了「可穿戴科技中心」，把斯坦福各個系對穿戴器件有興趣的教授和學生集合在一起，一起去探討將來這個領域如何發展。
我需要會設計電子機械的人，需要會處理、分析和應用數據的人。
我們後來和醫學院、設計學院等一起落地，大家因此可以一起圍繞一個大目標去行動，也會發現新的問題，然後再去解決。
可穿戴電子產品的定義很廣，智能手錶的功能還是非常有限的。
我們想做的是在任何表面、體外或體內可以用的。
我們要努力去搜集的是對人有用的信息，人們才會長遠去用。
最重要的是，人造皮膚的電子器件最需要的是普遍性、延續性，可以放在肌膚的任何地方，電子器件可以慢慢融入我們身體的表面和身體內。
設立這個中心之後，學院之間就可以合作了。
設計學院有一位教授在蘋果做過8年設計師，來到史丹福大學後，在設計學院d. school推廣的概念是「設計不光是在設計產品，而是可以應用在生活和研究中」。
可見設計的思維要有很清楚的目標，然後一步步實現。
於是他們去採訪了一些特別的人。
有一個女孩在手指上種植了磁鐵，去採訪她時，我們所想要的東西就不會被平常思維的框框所框住。
在過去，得憂鬱症的人，親戚朋友都無法在平常及時提供幫助。
如果通過可穿戴設備，讓親戚朋友知道其精神的狀態，當需要幫助的時候，就可以得到幫助。
3 把智慧型手機顛覆掉
這是一個可以超越智慧型手機的世界。
最重要的是，它會變成我們身體的一部分，幫助我們做以前做不到的事情，讓我們和周圍的世界有更好的信息交流。
智慧型手機出來之後，其它已有的產品，包括MP3、攝像機等等都受到顛覆性的影響。
所以我們預測，如果柔性電子穿戴的工業發展起來，預計會把智慧型手機顛覆掉。
對於將來電子工業的發展趨勢，我們寫了一個評論文章到《自然》雜誌，9月21日會發布出來，把這個未來的趨勢總結出來。
我們中心就是在看這個趨勢，也和斯坦福其它不同新的中心合作，去找到和解決不同的重要的問題，可穿戴電子設備會顛覆傳統電子工業。
蘋果iWatch出來的時候，蘋果CEO庫克說，iWatch是第一次把電子器件放在我們的身上，這一類的電子器件以後會改變你我世界。
現在只是放在身上，以後會變成我們身體的一部分。
我們、杜克大學和谷歌聯合起來做一個十年的研究，幫一萬個病人帶可穿戴設備的電子器件，搜集每天的行動和健康數據，每三個月測試基因和血液變化，一直跟蹤十年。
從心臟和癌症的角度看身體和基因會怎麼變化，為此總共投入了5億美元。
我們組了一個小團隊，有心理學家、計算機系、生物工程系等，設置的一個目標是關於人的精神健康。
我們現在無法用醫療的手段測試憂鬱症以及不同症狀的憂鬱症，我們一起研究可穿戴器件，看心理學家可否設置指標測試出憂鬱症以及特徵。
我們和不同工業界也有一些合作，我們中心會收集一些會員，每年開兩次會議，和我們的教授溝通、合作。
4 意想不到的應用領域
柔性電子和人工皮膚，不光可以在想像的20年後實現，也可以在近期的交通、汽車、VR/AR有很多的應用。
新的材料和器件，在近期可以用到的領域還有哪些？
我們發現一些比較有趣的應用，比如柔性的透明電極，應用在手機和計算機螢幕上。
目前所用的材料是一種無機的材料，彎曲比較多會裂開，不能多次彎曲。
這是在我的課題組很多年前發明的材料，後來兩個學生認為對產業非常有希望，通過獲得MIT（麻省理工）20萬美金的獎，然後在矽谷設立了一家公司，找了一個CEO負責商業。
現在公司已經有4輪投資，在韓國和日本有非常多的合作，今年的目標是在中國建廠，大部分客戶在韓國和日本。
人造皮膚不光在醫療、機器人上可以直接應用，也可以在一些我們意想不到的領域應用，比如在電池方面等。
以前大顆粒的矽在膨脹後會損壞，沒有人把大顆粒的矽做成穩定的鋰電池，我們後來交流後，會裂掉的矽電極使用了可自修復的材料之後，電極是否會穩定？後來測試後，電極都很穩定。
用鋁做電池是將來電動汽車的發展趨勢，但是直接用金屬鋁，它在生長的時候是一種刺狀的結構，就會著火，到目前都沒有解決，所以鋰電池用金屬鋁還做不到，然而現在用新材料塗在表面，鋁就不會發生刺狀生長，就會很穩定。
大家知道，電池一旦過熱的時候，傳感器就會自己把電池斷掉，那就可以做成非常薄的薄膜放在電池裡面，而且不被電池裡面的化學用品腐蝕掉。
除了能源的應用，在醫療方面的應用，可以用在無線檢測方面，比如把它種植在腦殼裡面。
當腦子受到機械創傷的時候，萬一腦壓過大，就會有危險，那如何測腦壓呢？如果直接用穿透的方式植入，會比較疼痛，那麼現在可以在做手術的時候直接植入，了解腦壓情況。
測壓力的場景還可以是通過連續測試血壓，測血壓的波形。
用人造皮膚，我們在醫學院做了一些臨床實驗。
用一個超薄的血壓計，套子壓住，套子裡面有藍牙，測試出來的數據可以直接傳到電腦和手機里。
我們用這種方式和醫院最標準的方式測出的數據非常吻合。
以後我們戴著這個東西就可以預測血壓。
這是我們最近新的公司，做連續性測血壓的產品。
另外意向不到的是人造皮膚在碳化之後變成花一樣，可以做超級電容器等。
5 沒有目標和有目標
闡述了這麼多，就是想說明我們如何設置目標，然後通過不同的方式去發現目前欠缺的地方，通過各個應用領域給我們啟發點，讓我們重新創新。
常常有人問，你們學術界好像也做了很多跟應用有關的東西，學術界研究和工業界研究有什麼不同呢？
不同之處在於目標方面，材料研究在學術界有兩種大的不同的研究方式。
一種是沒有任何應用目標，想的只是做新材料，比如石墨烯。
這個新材料一開始做的時候沒有想到任何應用，只是想到碳有多層結構，如果只有一層結構，是否有什麼新的性質？這是做研究很常用的方式，不知道未來能幹嘛，只知道它會有新的性質，新的性質出來之後再找到新的應用。
另外一種常用的方式就是設定一個目標，材料和應用本身是緊密結合的，材料最終是要被使用的，會用在不同的地方。
因此我們會設計一個目標，給材料設置性能和指標，然後去做這個材料。
一個是沒有目標，一個是有目標，這兩個都是學術界常有的做材料研究的方式。
這兩個都需要，因為如果我們沒有做創新的時候，不知道有新的創新；後者也需要，我們可以從某個領域的需求去創新，解決一些未來會發生的危機，比如新能源、水處理、新交通等等未來緊迫的事情。
工業界學術怎麼做呢？它考慮的是3-5年近期的發展目標，而學術界的大目標設定在20年後。
我給電子皮膚設定的是20年後的，但是後來發現在近期可以發生很多新的機會。
這是非常不同的地方。
這樣的思維方式可以讓我們有更加多的創造力，我們奮戰的空間會更大，全是我們在自由地想像和確定新的方向。
另外一個，在貝爾實驗室和斯坦福做科研的一個重要體會是，創造和創新的環境是非常有關的。
哈佛一個教授寫了創新者的幾個DNA：關聯能力、疑問能力、觀察能力、社交網絡、試驗能力。
有了想法要去嘗試，然後才知道哪些是可行的，哪些是不可行的。
我覺得是非常有共鳴的總結。
研究一段時間後，我也比較喜歡讀一類這樣的書，如何促進學生和員工具備創新能力？比如教室的安排，不同的座位方式使得學生和老師的交流方式很不一樣。
一種是老師是權威，學生聽就可以；第二種是小桌子，大家全坐在一起，老師可以走來走去，大家彼此之間也可以有交流，可以有很多互動。
不同的環境就導致不一樣的交流，而且顏色也很重要。
環境對人的影響非常重要。
我姐姐在Facebook工作，Facebook很鼓勵員工帶朋友去它們公司參觀和吃飯——它們的環境色彩豐富，讓人很舒服。
除了環境，人也很重要。
我去了貝爾實驗室上班，那邊有很多諾爾貝獎得主，我很驚訝他們怎麼有那麼多發明，那裡的儀器是那麼陳舊。
後來我發現實驗室的人很不一樣，每一個領域的專家都有，我可以在吃飯的時候和不同領域的專家去提問，他們都會很有耐心地和我解釋，還會手把手教我怎麼做。
一個地方的條件和設施可以不怎麼好，但是好的人可以帶來更好的創新和發現。
（本文由鮑哲南教授在GASA大學矽谷行9月10日發表的演講整理而成，有部分刪改）
製版編輯：斯嘉麗丨
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