任何曾经害怕撕掉创可贴的人——更不用说重新包扎严重的伤口了——都会很容易地欣赏斯坦福大学化学工程教授包哲南和外科学名誉教授杰弗里古特纳实验室的最新发明。

皮肤科学重建大自然的终极电子系统

原型设备是一种智能绷带，通过柔软的导电水凝胶粘附在身体上，当用吹风机加热到比正常体温高几度时，它会无痛地从皮肤上脱落。一个国家的手臂毛发竖起敬礼。

这只是它的权力之一。绷带从无线电频率中收集能量，还可以追踪恢复和感染的迹象，并通过电刺激做出反应以加速愈合。在动物研究中，这种绷带的愈合速度加快了25%，受伤组织的血流量增加，疤痕减少。

虽然远离药店货架——原型是按老鼠的比例建造的——但未来版本的绷带可能有一天会帮助因免疫系统受抑制或糖尿病等疾病或烧伤而遭受慢性伤口的人。对于其愈合水凝胶不比一层乳胶漆厚很多的无线、粘贴式设备来说还不错。

绷带是Bao和她的同事如何将有机化学和新型材料工程相结合，以更强大、更个性化和更隐蔽的方式重新构想医疗设备的一个例子。

他们开发了心脏传感器，可以像邮票一样粘附在搏动器官上，以定位心房颤动;监测肿瘤生长的无线传感器;以及柔软的植入式传感器，可以无害地植入大脑和肠道组织，以测量多巴胺和血清素水平。

考虑到Bao在自己的朋友和家人中看到的心理健康问题，对Bao特别重要的是她的实验室正在开发的粘贴式传感器，该传感器可以测量皮肤电导率、心率变化和皮质醇水平——所有这些都是焦虑和压力的必然结果.它可以为精神科医生提供新的指标来评估抑郁症。

尽管这些设备可能很有趣，但在某些方面它们只是Bao自2004年加入斯坦福大学以来一直从事的更宏大追求的副产品。她在贝尔实验室从事工业研究近十年，在那里她开创了先河致力于柔性电子产品——包括开发第一种柔性“电子纸”的材料，这是现在某些智能手机中可弯曲屏幕的前身。

在学术界重新开始，宝想重新设定她的眼光，放眼未来。她的一位新同事，机械工程教授马克·卡特科斯基，当时正在建造能够像真正的昆虫一样灵巧地爬墙的机器人蟑螂。

然而，这些虫子缺乏准确的感官反馈，无法知道它们何时到达顶部，并会跳回地面。这让Bao对制造可以感觉到触觉的类似皮肤的传感器产生了兴趣。反过来，她很快开始尝试模仿更广泛的力量，使皮肤成为终极可穿戴电子系统。

对于我们这些漫不经心地走来走去的人来说，我们最大的器官可能看起来很平凡，但皮肤是一种近乎神奇的材料，能够感知、传导、弯曲、拉伸、愈合、分解并与我们的大脑交流。

Bao说，最初她担心自己定下的目标太高。试图在单个设备中统一如此多的功能会不会太过分了?但她认为大胆一点更好。“我想，如果我们不设定一个雄心勃勃的目标，我们将永远无法实现。”

从那以后的近二十年里，她的实验室取得了稳定的进展。它现在生产基本版本的自我修复、可生物降解的电子皮肤——它看起来像乳胶——当拉伸到原来长度的两倍时可以发挥作用，具有“感受”瓢虫脚步的敏感性，并且可以将这些信号转化为电子信号神经元可理解的脉冲。

最终目标——有一天可能会给使用假肢的人带来轰动——仍然遥遥无期。同时，Bao说，皮肤是目标、动力和灵感。“它让我的学生更有创造力，因为他们可以看到这是更大的图景，”她说。

“然后他们可以说，‘我们缺少这部分皮肤功能，’或者‘作为一种材料，皮肤具有这种特性。我们为什么不把它也纳入其中呢?”

正是在追求这个更大的目标——模仿皮肤的能力——她的实验室取得了突破，并衍生出更小的设备，比如带有导电水凝胶的智能绷带，或适用于新生儿的无创血压监测仪，这些设备都应用了她的电子皮肤概念的感觉能力。

然后，这些设备的性能激发了不断改进实验室先进材料背后的基础化学的方法，与任何个人发明相比，该研究领域对鲍来说更重要。

Bao认为这是一个反馈回路，它导致了一种不显眼的自主医疗设备的新范例，这些设备通过在我们身体最脆弱的区域和谐地运作，模糊了人与机器之间的界限。

原始皮肤

长期以来，小说作家一直着迷于将人类与技术融合在一起的概念，从埃德加·艾伦·坡(EdgarAllenPoe)的《疲惫不堪的男人》中被拧在一起的战争将军，到卢克·天行者(LukeSkywalker)为达斯·维德(DarthVader)的光剑所失去的手装上栩栩如生的假肢。

实现这样的想象壮举伴随着严峻的挑战，尤其是如何将设备与神经系统连接起来。但即使是更普通的生物电子学，如传感器或绷带，也面临着另一个根本性挑战：活体柔软、弯曲、移动的组织不能与作为最先进技术核心的坚硬、易碎的无机成分很好地结合。

事实证明，硬件的名字很好听。与计算机芯片一样，由坚硬且无弯曲的硅晶片制成。

为了绕过这个兼容性问题，一些工程师——尤其是西北大学的材料科学家约翰罗杰斯——已经开发出巧妙的方法来使传统的铜硅设备适应人体。

罗杰斯曾是Bao在贝尔实验室的同事，他创造了纳米级几何形状——使用蛇形图案和越来越薄的切片——以在固有的非柔性材料中诱导柔性行为。例如，2021年，罗杰斯(Rogers)发表了一篇关于第一个“瞬时”起搏器的论文——一种无线、无电池的原型，在动物身上进行了测试，当不再需要时会溶解，从而无需进行第二次手术来移除设备。

罗杰斯削减现有的技术成分，使它们与我们的身体更相容，而鲍以相反的方法而闻名：从分子水平构建生物相容性材料。

作为一名有机化学家，Bao是设计和合成新型聚合物(重复单元的长分子链)的专家，例如塑料，它们的导电性通常很差，以至于它们在电子世界中的既定地位是作为绝缘体。

事实上，虽然硅晶体中紧密堆积的原子晶格形成了一条虚拟的电荷高速公路，但聚合物更像是蜿蜒的乡间小路。但是，与硅等无机物质相比，科学家们对碳基有机材料(包括塑料等合成材料)的修补能力要强得多。

经过多年对分子构成和聚合物排列方式的实验，Bao的实验室创造出的塑料缩小了——尽管肯定没有消除——与硅的性能差距。用鲍的话说，他们利用了一种叫做纳米限制效应的东西，让这些乡间小路不那么颠簸和蜿蜒。

同时，他们还能够使材料具有可拉伸性、自我修复性和可生物降解性。结果：Bao的实验室用柔性的、本身可拉伸的塑料重新发明了人们熟悉的技术核心——半导体、传感器，甚至集成电路。

斯坦福大学化学工程教授乔·德西蒙(JoeDeSimone)表示：“需要大量的设计、分子设计才能创造出实现这一目标的化学物质。”“而她已经做到了。”

“我记得很久以前就在想，嗯，你知道，那会很有趣，但是，天哪，还有很多事情需要解决，”最近退休的化学工程教授CurtisFrank说。部门。“她刚刚解决了所有问题。”

DeSimone说，作为一个实际问题，罗杰斯开创的生物电子学自适应方法可能在短期内对现实世界产生更大的影响。将已知材料推向新的极限比创造新材料更容易，更不用说大规模制造它们了。“[Bao]几乎没有什么可以利用的，”他说。

“她必须自己创造一切。”不过，他说，随着时间的推移，鲍的柔软、有机、可拉伸的电子产品——更贴合我们的自然组织，因此不太可能引发身体对异物的排斥——可能代表最终的解决方案。“这就是身体在分子水平上的运作方式。”

Bao的新颖材料和设备甚至不是她正在研究的最新颖的概念。Bao的实验室与生物工程教授、精神病学和行为科学教授KarlDeisseroth、'98博士、'00医学博士以及化学教授CarolynBertozzi合作，探索通过基因改造细胞来制造它们自己的聚合物。

这种能力可能会让科学家有一天能够在失火的神经元顶部生长导电聚合物来治疗癫痫等疾病，甚至可以在体内生长传感器等设备。该方法还可以为未来版本的电子皮肤提供一种直接与特定神经通信的方式。

“如果我们可以选择哪条神经来改变它的电气特性，那么我们就有可能只与那条神经进行无线通信，”鲍说。

Bao的远见卓识——走自己的路，制造新材料——吸引了优秀的研究生和研究人员，例如HelenTran，现在是多伦多大学的助理教授，她来到Bao的实验室作为一个博士后，被鲍的创造力所吸引。

“我想在最前沿与那些正在做疯狂事情的​​人一起工作，”Tran说。“作为一名化学家，对这些疯狂的、类似科幻的想法抱有远大的梦想会更有趣。她真的在试图改变范式。”

潜在影响超出了医疗设备。想象一下，Tran说，有一天你不需要携带手机或钱包——你可以在手上临时纹身，或者戴上手镯，它们可以完成这些物品可以完成的所有工作。“想象一下所有的功能，但对你来说负担更轻，”Tran说。“我认为她正在为这个梦想迈出第一步。”