9岁的美国三院院士四小时工作法

他发表了400余篇论文，引用7万余次，4次入选麻省理工年度技术突破，新创多家成功企业，转化50余项专利技术，每天却只有4个小时秘密工作时间。他是John A Rogers，年仅49岁，美国科学院、工程院、艺术与科学院三院院士，柔性电子的先驱人物。今天，他为知社讲述他创新创业的传奇故事：研究的缘起，与中国学者的亲密合作，挑选学生与博后的标准，科研的感悟与心得，以及自己成功的小小秘诀。

49岁的美国三院院士John Rogers。摄影：梁紫微

John Rogers，美国西北大学Louis Simpson and Kimberly Querrey讲座教授，Bio-Integrated Electronics中心主任。被挖到西北之前，曾历任伊利诺伊大学 Swanlund讲座教授和Seits Materials Research Laboratory中心主任、贝尔实验室凝聚态物理主任、以及哈佛大学Junior Fellow。他在柔性电子领域做出诸多开创性贡献，其微流体光纤（2004年）、可拉伸硅（2006年）、生物可降解电子器件（2010年）、以及转换效率破纪录的太阳能电池（2012年）先后4次入选麻省理工技术评论年度十大技术突破。在每年发表60篇高水平学术论文的同时，他将多项科研成果通过商业转化成为上市产品，造就了一个从基础理论与原型器件到成果产业化的科技神话。

Rogers教授在清华海外名师讲堂剪影，展示表皮电子与婴幼儿健康监测。

借Rogers教授访问中国之际，知社对他进行了独家专访。采访过程中Rogers教授思维敏捷，语速直快，讲了很多在学术文章和报告中不轻易提及的“背后的故事与机理”。悉心交谈，环绕在他头上令人炫目的头衔与光环仿佛褪去，还原出一个满怀激情与执念的科研工作者和悉心培育下一代的“灵魂工程师”形象。言毕，起身握手，那光环却是更清晰了。

实际上我们对柔性电子的研究最早可以追溯到我在贝尔实验室工作的时候。我还在哈佛大学跟随George Whitesides教授从事博士后研究的时候，就对基于化学的微加工技术感兴趣，尤其是微结构的材料科学与化学问题。我们希望能研究出能进一步完善甚至超越光刻技术的微加工技术。在我去到贝尔实验室的时候，有同事正在研究有机半导体材料。有机半导体材料的魅力在于其可加工性强：它很容易实现印刷、图案化、薄膜化成型，进而形成功能电路。我们在哈佛大学的开发的软光刻技术正好可以应用到有机印刷电子的制备过程中。因此，准确说来，我最早接触柔性电子领域应该始于1997-1998年。早期最具代表性的工作是基于电子墨水的柔性显示设备。我们在背板电路上用基于并五苯的晶体管形成开关阵列，结合上方电子墨水形成类纸张柔性显示屏。该工作发表在2001年的Proceedings of the National Academy of Sciences。2005年那篇柔性电子文章是我在2003年到UIUC后的工作。那个时候我开始意识到虽然有机半导体及其相关材料在学术科学研究是很有意思的课题，但要想研究具有高性能的柔性电子器件，且与现有制备工艺兼容，低厚度的硅可能会是更合理的选择。于是我们逐渐转变研究思路。现在看来这是不错的抉择：我们能制备出高性能、可操作性强的柔性电子器件进行实际应用研究。因此，我们针对柔性电子的研究实际上早于2005年，大概在2003，2004年我们用无机材料来替换有机功能材料的时候就开始了。

柔性显示屏，2001 PNAS封面

最让我骄傲的可能是早期关于制备方法的研究工作，比如无机半导体材料如单晶硅薄膜的制备和基于图章的薄膜材料操控方法。那时我刚到UIUC不久，这些2004、2005年的早期工作奠定了我们当前的实验技术与科研工作的基石，它们具有相当的重要性。后来我们完成了很多很棒的工作。我个人很喜欢的第一个是仿昆虫复眼照相机，它结构很复杂，技术实现上相当具有挑战性。但能够从科学仿生角度来思考人造光学系统如何像昆虫一样感知周围世界是一件很有趣的事情。第二个是类皮肤的表皮电子器件，它是一个里程碑似的工作。第三个就是我们首次提出的瞬态电子概念的工作，它开辟了一个新方向。所以，说到令人骄傲，我想到的是这三个代表性工作以及早期的方法性成果，它们是我当前研究的基础。

仿昆虫复眼照相机，2013 Nature

类皮肤的表皮电子器件，2011 Science

无机材料基本可以分为复合材料状态和晶体状态，晶体材料的迁移率远高于相应的有机材料。当然这里不讨论可能带来更高迁移率的未知有机化学机制。就已知有机半导体而言，它们的劣势主要在于迁移率不高。有机材料的优势仍然在于可加工性强，它们便于印刷，可以在大气环境中实现大规模制备。从这一点来讲，它们仍具有很高研究价值。而相比于低成本与大面积，我们更关注电子器件功能的独特性，这与成本和大面积制备工艺相关度并不大。比如电子器件要能与人体直接集成，它不需要超大面积；它需要能在人体健康方面发挥重要独特的功能，它不一定需要便宜。这里我们首要考虑因素不是大面积与低成本，而是能否具有提升人体健康的独特功能，而且这种功能具有不可替代性。我们对柔性电子器件关注点不一样，对于我们的目标而言单晶无机材料是更好更合适的材料。

有可能。有机半导体材料以及以此为基础的柔性电子领域确实有很多很有意思的研究。对于这个问题，我不确定。我没有“水晶球”，不能预知未来研究会出现什么样的成果，是否会出现性能与硅可比拟甚至更好的新聚合物。这对于当前有机半导体材料的发展来讲是很好的研究课题。但即使出现这样的材料，仍然不能立即造就一项独立的新技术。硅的魅力在于人们熟知如何进行掺杂，如何控制阈电压，如何处理以及如何图案化，它是一项成熟的制备工艺。选用硅作为功能材料，你可以对这些成熟的工艺信手拈来。即使人们研制出输运特性与硅相同的新型聚合物，仍然有很多问题需要明确，比如，掺杂方式、材料长期稳定性、飘移行为、偏压应力等等。硅作为电子器件的核心材料，人们经过半个世纪的全球性研究才将这些性质理解透彻。这些都是非常有意思的研究内容，我个人非常支持有机材料的研究。但有机材料的发展成熟还需要一段时间。如果你的兴趣在具有短期潜力的先进电子技术，我想利用好现成已被证明过的材料和技术是更有价值、更现实的做法。

无机柔性电子中也存在各种材料科学基础问题：如你所说的界面失效与断裂的力学问题以及粘附等。基于成熟的无机材料，当前我们就可以制备出具有功能的柔性电子器件，用于解决现有临床医学与健康医疗领域的难题与挑战。选择无机材料具有很强灵活性，我们既可以研究材料科学的基础问题，还可以制备具有实际功能的原型器件用于未知医学问题的研究。一方面我们可以做基础研究，另一方面可以研究一些更高层次的系统级别问题，比如利用器件与大脑或心脏的界面来研究神经科学与心脏内科学。而有机柔性电子技术还处于基础材料科学的研究阶段，还不具备系统工程级别的成熟度来实现这个层面的研究。

我们可以列举一些挑战。具体的挑战取决于你设想的应用场景。我们在柔性电子领域的大多数研究都涉及在生物医学器件的背景下如何将电子技术与生物学相结合，从而促进人体健康。这个应用场景下存在的挑战包括：如何理解人造系统与生物系统之间的界面接口，如何在基于电子流的电子器件系统和基于离子流的生物系统之间实现信息交互，如何进行系统设计，如何理解里面存在的材料科学基础问题。对于柔性电子来说这是一个科学前沿问题，同时也是我们感兴趣的应用问题。这是挑战之一。

还有一些工程性更强，也同样重要的问题。比如，当你有一个核心柔性电子器件，如何构建起相应的系统使得它可以集成到像心脏或大脑这样的曲面体表面。再比如，对于长期植入电子器件，你需要思考如何防止生物液体浸入器件的有效功能电路。我们不能像处理心脏起搏器一样，把它装进一个金属盒子里，那样不仅会破坏器件本身柔性，还会丧失它与生物组织的集成顺应性与保形性。此时，需要开发能以薄膜柔性形式与生物组织集成，同时还兼具完美防水性的材料。对于需要长期植入的柔性电子器件，这是极具挑战性的材料的问题。另外，还有一些更高思考层面的类似问题：人造系统与生物系统相结合时首要考虑因素是什么，如何让它们两者之间进行交流与互动，以达到提升健康状态的目的。

下一个突破口将是开发一种交互系统，不是简单地与生物进行单向交互，而是在一个紧密反馈闭环中运行。因此，你可以想象一下这样一类增强器官系统健康状况的器件，它们工作基于传感器对于器官生理状态的监测与反馈，我们想把这类器件归于生物电子医学这一更广泛的术语概念。在这个圈子里不仅只有我们柔性电子技术对它感兴趣，各种别的技术也想涉入该领域的研究。所以，你可以想象将这样一个器件贴在骨盆神经上来监测膀胱功能。器件上的一系列应变传感器保形地贴合在膀胱表面，监测膀胱是充盈还是排空状态，并将信息传回器件，形成一个自反馈的控制闭环。这种具有自反馈的功能性生物电子器件是一个非常有意思的研究方向，它兼具有趣的科学问题与工程挑战，也是我们正在努力的方向。

我认为将柔性电子应用到物联网是很容易的。我们的研究不仅含有能与生物器官相结合的电子器件，还包括生物/环境可降解的瞬态电子器件。后者就与物联网相关。我们可以想象未来人能接触到的家里所有物体与结构都内嵌有各种各样的传感器。接着就会出现很自然的问题：这些数以十亿计的无线电子器件终将进入自然环境，它的工作寿命是多长？随着时间的推移，它们会发生什么变化？会简单堆积然后产生难以治理的有毒物质？还是利用可降解材料使它们可以在丧失功能后在环境中自然降解消失，不造成负面影响？所以，目前我们所研究的某些器件，虽然初衷是建立在临床医学应用上，但将其用于新型电子技术领域如物联网，也是可行的。生物/环境可降解电子器件就是一个跟物联网相关的学科交叉例子。

Rogers教授与美国西北大学黄永刚教授的合影

我们初次接触是他还在UIUC任教的时候。那是在实验室里，一次偶然的机会我们发现把薄膜硅条贴到轻微预拉伸的弹性基底表面再释放预拉伸应变，薄膜硅条会在弹性基底表面形成高度周期性的波浪状结构。很快我们就意识到利用该结构可以使得硅基集成电路不仅可以具有柔性，更可以具有可延展性。波浪状结构里既有材料问题，如薄膜硅条与弹性基底之间界面本质，界面处的粘附化学机制以及如何将它应用到电子器件中；又有很明确的力学问题，如波浪状结构是如何形成的，进一步承受机械变形时结构几何形态将如何变化。另一个关于PDMS图章上微结构塌陷的问题，来自于软光刻过程。这两个问题共同性在于自然的学科交叉性，永刚对里面力学理论的部分感兴趣，而我对其中非常规的材料系统以及软硬材料集成应用到复合材料和电子器件的部分感兴趣。他开始对这两个系统建立相应理论模型，即图章塌陷以及硅条带在硅胶上的屈曲。那是一种很好的互动。我和他有非常相似的地方，包括工作节奏和科研思路，个人之间具有一种天然的契合感。科研上我们紧密合作且互补，我的课题组擅长实验，他的组擅长理论分析。在此基础上，我们的学生也莫名合得来，合作非常顺利。由于各方面都很自然地契合，从开始到现在我们一直合作得很好。2004-2005年之间，我们共同发表了第一篇文章，到现在，我们可能已经共同发表了200-250篇文章，而且还在继续。这是一段很棒的关系。

知社：黄永刚教授曾经形容你们之间的关系像是 “Happily Married Couple”？

是的，形容得很好。我们骨子里就很像。我也说不清，就是非常相似。

先有实验。准确说是一次实验“事故”。当时，我们正研究基于硅薄膜的柔性电子器件，我们成功从硅晶圆片表面制备出很薄的硅薄膜、硅条带和硅线，实现各种可弯曲的柔性硅形态。但它们只停留在硅晶圆片表面是不够的。我们需要把它们从硅晶圆片上拿下来，集成塑料或橡胶薄膜上。从那时沿用至今的转移方法是，利用钻蚀把硅纳米结构从硅晶圆片上部分游离，再用软图章和硅纳米结构形成物理接触，靠软图章表面黏性将硅纳米结构从硅基片上撕起来形成一个“蘸有硅墨水的印章”，再印制到目标基底表面。通常在这个过程中，硅条在硅晶圆片上和图章上都保持平直，印制到目标基底表面后也是平直状态。然而，手工操作印制有时会在软图章中引入微小应变。带有微小拉应变的软图章抬起硅条后应变释放，图章恢复到初始形态，图章表面硅条受压发生失稳屈曲，形成波浪状的几何形态。这一现象最早被一个观察力敏锐的博士后在转印实验中注意到。他发现这种情况下印制成功率极低，就把实验失败的硅条和图章放到显微镜下观察，结果发现不能成功印制的原因在于形成波浪状几何形貌后，硅条与目标基底之间只在波峰处接触，导致接触面积减小，粘附力不够实现硅条转移。在他拍摄的显微镜照片中，我们观察到非常漂亮，非常有规律的波浪状结构，我们意识到一定发生了系统性变化。这种结构使得转印过程印制困难，但换个角度看，它开创了一个实现可延展硅的全新机理。那次实验“事故”和后续跟永刚的讨论奠定了今天无机柔性电子的基础。

Rogers教授研究组

他们风格不一样。中国学生、学者到美国有更专注的目标和更强的动机，他们很努力地做出很好的工作，这样他们既可以回国，也可以留在这开始职业生涯。而美国学生也很优秀，不过他们工作和科研的风格不一样。我的学生都很棒，美国的、中国的、韩国的。他们各自有不同的优缺点，不好比较。我都很满意。

博士后的选择比较简单，周围熟知的教授会向我推荐或介绍他们认为合适的人。因此，对于来自相熟课题组的博士后我可以了解他的大致情况。同时，经历了完整的博士生涯，他们的科研成果、科研能力也一目了然。从他们发表的文章，大致可以看到他们的科研潜力所在。而研究生就比较难一点，因为他们本科期间的学习成绩不够有指向性，好的学习成绩不一定意味着可以在没有标准答案的、开放性的科研环境中做出好的工作。所以基本上我是从入组的本科生里挑选研究生，我会看他们是否对科研有热情，是否对参与我们的科研感到兴奋。很多人都很有天分，但如果他们对自己的工作没有激情，他们很难成功。所以我评判的标准是学生对课题组科研内容的热爱程度。

我想说实际上力学工作者面临很多机会。这个世界本质上是一个机械的世界，我们接触到的每个事物包括电子器件在设计时都需要机械原理。接受过系统力学训练的学生拥有丰富的工程和物理知识，这些知识具有广泛的应用领域。所以我认为力学并不狭义。我们很高兴能在当前的科研内容中跟力学学者合作。但这不是一个独特现象。我认为在生物学里有很多有意思的课题，这些课题既有生物化学问题又有力学问题，比如力作用下细胞的化学响应。我相信这里面有很多问题处于力学领域前沿，等待人们研究探索。我认为不仅仅是柔性电子，还有一系列的课题可供力学发挥。（生物谷Bioon.com）