現任德克薩斯大學奧斯汀分校（UT-Austin）天普基金會特聘終身教授的魯南姝認為，人類科技的發展趨勢一定是機器越來越像人，人越來越像機器。“人工智能時代，人機融合具有必然性，否則將與時代脫節” SpaceX CEO 伊隆·馬斯克在 2017 年世界政府峰會上的發言令魯南姝印象深刻。
（來源：Pixabay）
近年來，柔性可穿戴設備在監測人體生物信號方面的研究取得長足進步，使用柔性貼片隨時隨地監測血壓、脈搏指日可待。然而，現有可穿戴壓力傳感器存在一個大問題：高靈敏度與寬域工作範圍無法兼得。即使是非常輕微的壓力，都會使傳感器的靈敏度大幅下降。
“柔性壓力傳感器賽道非常擁擠，經過二十年的發展，研究遇到瓶頸，因為仍然沒有很好的辦法能夠解決壓力和靈敏度之間的矛盾，”魯南姝說。
近期，魯南姝帶領的團隊通過創新有史以來第一個混合傳感器方法來填補這一空白，“這是第一個利用壓阻-壓容混合響應來承受壓力而不顯著降低靈敏度的傳感器。”她向 DeepTech 表示。
首次將電容與電阻結合，平衡壓力寬域與靈敏程度
魯南姝課題組發明的“複合響應”壓力傳感器（hybrid response pressure sensor, HRPS）近期在 Advanced Materials 上發表。
通過導電的多孔狀微結構與超薄絕緣層的結合，研究員們首次發現分布式壓電電阻和壓電電容的混合響應能夠使得柔性壓力傳感器兼具高靈敏度和寬域工作範圍。小至一種果蠅的重量（0.07 pa），大到人腳踏步所產生的壓力（125 kPa），都可以被靈敏地感應到。
圖 | “複合響應” 壓力傳感器（hybrid response pressure sensor, HRPS）
據介紹，該傳感器是由一種超高孔隙率的導電納米複合材料（porous nanocomposite, PNC），超薄絕緣層（PMMA）以及 Au/PI 電極複合而成。其中，多孔納米複合材料（PNC）由碳納米管（carbon nanotube, CNT）摻雜的 Ecoflex 硅膠構成。
圖 | 複合響應壓力傳感器 HRPS 應用演示。
為了展示傳感器對微小壓力信號的靈敏程度，研究人員測量了一隻僅有 0.7 毫克重的果蠅、傳感器上方 3 cm 處的鼓風機吹出的氣流、三個連續降落的水滴，以及人體頸動脈和顳動脈的脈搏跳動。
實驗結果顯示，HRPS 對果蠅自重帶來的僅有 0.07 Pa 的壓力，以及微小氣流、水滴滴落時引起的壓力響應準確且迅速，響應時間僅為 94 毫秒。
在健康監測方面，魯南姝課題組的成員此次將柔軟、輕薄的 HRPS 貼附在受試者頸動脈，可清晰探測到脈搏波動。頸動脈和額顳動脈屬於細微搏動，其測量對設備的靈敏度要求極高。
哪怕事先在傳感器上施加額外壓力，比如為受試者戴上虛擬現實（VR）頭盔，對 HRPS 產生了 8 kPa 的預壓力，顳動脈搏動信號仍然能夠被清晰測得。
“這是顳動脈搏動信號首次由電容式壓力傳感器無創地測量得到。” 魯南姝說道。
在對高壓力的測量中，HRPS 也表現出良好的靈敏度。論文的補充視頻中，小組成員將 HRPS 貼在一位體重為 80 kg 的受試者的腳掌上，測量其在瑜伽墊上行走產生的壓強，最終測量的最大記錄值為 125 kPa ，這一數字與此前其他研究測得人腳行走產生的壓強一致。
此次研究主要展示了 HRPS 在人體健康監測上的應用，除此之外，魯南姝對他們研製的柔性傳感器還有更宏偉的願景。她正在研究如何將這種柔性傳感器包裹在其他柔軟物體上（如機器人手），使其具有人類皮膚的敏感性。通過模擬人類真實的觸感，讓機器人擁有通過觸摸來識別物體的能力。
從電子紋身到電子皮膚，人與機器如何向彼此靠近？
2012 年，魯南殊憑藉“電子紋身”的發明入選《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”全球區域的榜單評選。
傳統的智能穿戴設備體積較大，攜帶不便，穿戴舒適度欠佳。而“電子紋身”（Electronic Tattoo or E-Tattoo）具有無創、輕薄以及極佳的形變能力，並將心電，肌電，腦電等多種身體信息傳輸到手機、電腦等終端。這種一次性電子貼片在醫療或人機交互領域都具有極大的市場前景，被認為是“可穿戴設備的終極傳感器形態”。
圖 | 多層、模塊化“電子紋身”可實現無線充電和無線數據傳輸
魯南姝曾於清華大學和哈佛大學分別取得了學士學位和博士學位，後來在伊利諾伊大學香檳分校以貝克曼博士後研究員身份開展工作。她的研究領域涉及柔性電子的力學、材料、製造和人體集成等多個方向。
當下，魯南姝從兩方面來建構自己的科研大廈，一是電子紋身（E-tattoo），輕薄、柔軟的特性使其能夠良好貼合人體皮膚，捕捉生物信號，傳感人類的生命體征。人體是一種模擬生物信號系統，而機器和電子世界則是數字的。因此若想實現人機交互，人需要“數字化”，“電子紋身”被認為是人類“數字化”的有效途徑之一。
圖 | 多層、模塊化“電子紋身”可實現無線充電和無線數據傳輸
另一個是電子皮膚（E-skin），通過柔性壓力、溫度等傳感器，讓軟機器人擁有類似於人類皮膚的敏感性，賦予其生動的觸覺、視覺、聽覺、味覺和嗅覺等感知能力。此次發表的研究便是一種新型的混合相應電子皮膚，拓寬傳感器的壓力工作範圍，並保持觸覺靈敏度。
魯南姝的終極目標是能夠完成人機交互的閉環：人體通過電子紋身實現與數字世界的鏈接，機器人則通過電子皮膚模擬人類感知環境。因此，她的團隊一直圍繞 “柔性生物電子系統” 在以下四個方面展開研究：
第一是柔性/可拉伸結結構力學研究。如被動型和主動型（壓電）蜿蜒帶狀結構的變形機理以及由於多層柔性電子的層間楊氏模量失配導致的上下層彎曲解耦。
第二是二維材料和納米材料，包括石墨烯電子紋身（Graphene E-Tattoo or GET），二維材料形成的納米氣泡和納米帳篷機理，以及 PNC。
第三是製備工藝和轉印技術，包括無線電子紋身的“切割—焊接—粘貼” 工藝和水輔助轉印。
第四是生物-電子界面，包括器件與不平生物組織表面的共形機理，受剪紙啟發的可共形人造視網膜，以及表面凹坑陣列帶來的穩定且可重複使用的乾性粘結界面。
人機交互，開啟智慧養老時代
在問到自己最期待的應用場景時，魯南姝說道：“我個人偏向於醫療方向的應用，尤其是養老”談到養老問題時，她有些許的動容，並用到“鞭長莫及”來形容。
魯南姝的奶奶、外公、外婆已年近百歲，但她長期在國外，受疫情的影響無法隨時回到國內照顧家中的父母與老人。通過電子紋身實時監測老人活動與健康，通過機器人護工彌補有的巨大缺口和市場的養老問題，是魯南姝所期待的未來，“在欠發達地區，護工非常缺乏，有能力且溫柔的護工更是。為機器人製作電子皮膚，讓其擁有匹敵人類的溫柔與觸感，將能很大程度上緩解這類職業缺口。”被問及人工智能取代人類工作的問題時，魯南姝說：“人類情感交流不可替代，但事務性工作可以。”
（來源：Pixabay）
中社科院老年研究所估計，中國養老市場的商機約 4 萬億元，到 2030 年有望增至 13 萬億元。“養老服務業在凸顯出民生事業特徵的同時也彰顯出其作為朝陽產業的巨大吸引力。”
第7次人口普查數據顯示，我國 65 歲以上的老齡人口達到 1.9 億人，佔比達 13.5%，中國正在加速進入老齡化社會。傳統養老模式已無法全盤適應當前需求，通過科技手段尋求新型多元複合治理方案解決老年人多層次需求成為必然趨勢，魯南姝以及其他科研人員的研究，將會是未來“智慧養老”圖景不可或缺的一小片拼圖。
