Традиционно считается, что электроника и вода не смешиваются: вы знаете это, даже если ваш мобильный телефон никогда не соскользнул с вашей руки, скажем, в ванну. Прошлым летом я с тревогой наблюдал, как Джон А. Роджерс весело стреляет в воду по интегральной схеме.
Из этой истории
[×] ЗАКРЫТЬ
Цель Джона Роджерса - не что иное, как граница между человеком и машиной. (Фото иллюстрации Тимоти Арчибальда) 
Технологические чудеса, вытекающие из исследований Роджерса, включают камеру, вдохновленную глазом насекомого. (Джон Роджерс, Институт Бекмана, Иллинойский университет в Урбане-Шампейн) 
Тюбетейка, которая контролирует тяжесть столкновений с головой. (Фото любезно предоставлено MC10) 
Исследования Джона Роджера создали электрод, который формирует мозг. (Джон Роджерс, Институт Бекмана, Иллинойский университет в Урбане-Шампейн) 
Перед созданием устройств для тела команда Роджерса провела испытания материалов, таких как кремний и нитрид галлия. (Джон Роджерс, Институт Бекмана, Иллинойский университет в Урбане-Шампейн) 
Фотогалерея
Связанный контент
- Эти гибкие датчики могут помочь контролировать инсульт пациента в восстановлении
- Этот носимый «сердечный носок» может когда-нибудь спасти жизни
Мы были в лаборатории в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, и Роджерс - специалист по материалам там и картина здоровой формы в хрустящем поло, хаки и кольце бойскаутов - воспользовался обычной бутылкой с распылителем. Схема, радио-генератор, блестела на клочке искусственной травы, которую некоторые постдоки установили на открытом воздухе.
Первый брызг воды заставил контур медленно свернуться, как только что загорелся клочок бумаги. Когда Роджерс снова распылил воду, цепь сгорбилась и рухнула на себя. Следующие брызги были смертельными ударами: контур и его прозрачная шелковая подложка превратились в жидкий шарик, который капал вниз по длинной травинке. То, что раньше было функциональным электронным блоком с диодами, катушками индуктивности и кремниевыми транзисторами, теперь было не более заметным - или долгим для этого мира - чем капля утренней росы.
«Да, это довольно забавно», - говорит Роджерс, которому 46 лет, и он серьезно относится к соседу. Но это был не салонный трюк. Роджерс и его команда исследователей разработали схему для «мимолетности»: она была рождена, чтобы умереть. И, по мнению Роджерса, это может привести к запуску электроники в неизведанные воды в медицине, экологических исследованиях и национальной безопасности. Мы можем вскоре увидеть датчики, которые отслеживают артериальное давление в аорте после операции на сердце, а затем растворяются, когда пациент выходит из леса. Или нетоксичный мобильный телефон, который мы целенаправленно смываем, когда готовы к обновлению. Или чувствительная технология поля битвы, которая идет plop-plop-fizz-fizz прежде, чем она попадет в руки врага. «Мы надеемся, что в этом есть большая ценность», - говорит он. «Это не просто любопытство».
Переходная электроника, возможно, является самым изнурительным изобретением, которое еще не появилось в лаборатории Роджерса, фабрике идей, скорость публикации которой в крупных научных журналах совпадает только с выходом захватывающих заголовков вещей. Роджерс, который занимает одну из самых высоких кафедр университета, назначен на пять факультетов. Он также руководит школьной исследовательской лабораторией Фредерика Зейтца. Он является автором или соавтором десятков статей за многие годы, многие из которых были опубликованы в таких журналах, как « Наука и природа» . Но его лаборатория, несмотря на всю ее серьезную науку, с такой же легкостью могла бы стать бэк-партией для Бионического Человека.
Роджерс и его сотрудники создали целлофановые оболочки электроники, которые обертывают волнообразные поверхности сердца. Они создали камеры в форме глазных яблок, которые имитируют зрение человека и насекомых, и мягкие нити из крошечных светодиодов, которые можно вводить прямо в мозг. Во время моего визита постдок показал мне временную татуировку на коже, снабженную транзистором - «эпидермальная электроника», - которая могла освободить пациентов больницы от путаницы проводов и клипсовых датчиков, которые держат врачей в курсе жизненно важных функций.
Роджерс стал знаменитым в научном мире не только для того, чтобы придумать эти идеи, но и для того, чтобы понять, как их строить. Многие из его идей являются результатом изученного пренебрежения статус-кво представлений о кремниевых схемах.
Жесткость, жесткость и долговечность являются краеугольными камнями современной электроники. Они встроены в его словарный запас: микросхема, твердотельная плата, печатная плата . Для 90 процентов того, что сегодня делает электроника, это может быть хорошо. Роджерс заинтересован в других 10 процентах: он хочет сделать аппаратные средства мягкими - достаточно мягкими для движущихся, набухающих и пульсирующих контуров человеческого тела и мира природы. Его цель - не что иное, как граница между человеком и машиной. Мозг «похож на Jell-O, он динамичен во времени и движется», говорит Роджерс. «Кремниевый чип совершенно не соответствует геометрии и механике, и он не может выдержать движение, не ограничивая его».
Конечно, электронный зонд может быть погружен в ткани мозга. «Но теперь у вас есть иголка в миске с желе, которая плескается вокруг». Кто бы этого хотел?
Некоторое время Роджерс, как и другие исследователи, рассматривал пластиковые схемы как решение. Но гибкость пластика достигла того, что оказалось очень дорого: электрически он был в 1000 раз медленнее, чем кремний, суперзвезда полупроводников. «Вы не могли бы ничего сделать, требуя сложной высокоскоростной работы», - говорит он.
Поэтому он посмотрел на Силикона еще раз. Вскоре он разработал технику для того, чтобы разрезать его на листы, настолько исчезающие, как 100 нанометров, или на одну тысячную толщины человеческого волоса, - чтобы он делал что-то, о чем мечтали немногие: он изгибался, скручивался и, когда нанизался змеиным узором, даже растягиваются. Затем он пошел дальше. В своей статье в журнале Science в прошлом году он объявил, что если вы сделаете кремний еще тоньше - 35 нанометров - он полностью раствориться в биологических жидкостях или воде за считанные дни.
Роджерс знал, что обычная кремниевая пластина толщиной в один миллиметр не имеет ничего общего с проводимостью: в основном, это и есть заделка, поэтому роботы могут перемещать ее через различные этапы изготовления без поломок.
«У вас гигантская индустрия, основанная на электронике на пластинах, и по этой причине люди традиционно смотрят на кремний и говорят:« Ну, это не гибко, мы должны разработать другой материал для гибких цепей », - говорит он. «Но если вы подумаете об этом больше на уровне механики, вы быстро поймете, что проблема не в кремнии, а в пластине. И если вам удастся избавиться от лежащих в основе кремниевых материалов, не задействованных в работе схемы, у вас останется очень тонкий лист кремния », такой же гибкий, как бумага с отрывными листами.
В конце одного рабочего дня в июле Роджерс проскользнул в конференц-зал рядом со своим офисом и через несколько минут вышел в спортивных шортах, белых трубочках и кроссовках. Перед тем, как мы покинули кампус, чтобы встретиться с его женой и сыном для игры в теннис в общественном парке, он провел мне экскурсию по его офису, чьи книжные шкафы были полны демонстраций его изобретений, заключенных в пластиковые коробки для драгоценностей: на этикетках было написано «камера летать глазами»., »« Датчик приближения на виниловой перчатке », « растягиваемые солнечные элементы », « витой светодиод ».
Роджерс отбрасывает идею о том, что его гибкая и растягиваемая электроника представляет собой любой квантовый скачок. «Наши вещи на самом деле просто ньютоновская механика», - говорит он. Его кремний для фабричной вафли такой же, как лист бумаги для двух на четыре: та же салями, только нарезанная намного тоньше.
«Одной из сильных сторон Джона является то, что он понимает, как взять технологию, которая уже существует в высокоразвитой форме, и добавить что-то новое к ней, чтобы у нее появилось новое применение», - говорит Джордж Уайтсайдс, известный гарвардский химик, в лаборатории которого Роджерс работал как постдок «Он необычайно креативен в этом разрыве между наукой и техникой».
Временные схемы Роджерса покрыты шелковым белком, который защищает электронику от жидкости и сам может быть разработан для растворения в течение нескольких секунд или нескольких лет. Внутри шелка находятся компоненты цепи, чьи материалы - кремний, магний - распадаются на химические вещества, содержащиеся в некоторых витаминах и антацидах. (В речи перед инженерной группой в декабре прошлого года Роджерс выпил один из своих контуров на вызов. «На вкус это как курица», - пошутил он со зрителями.)
Годы клинических испытаний, за которыми следуют одобрения регулирующих органов, ожидают любого введения этих устройств в организм человека, и именно то, как правильно подключать к ним питание и осуществлять беспроводное соединение, является областью активного изучения. Но миры науки, бизнеса и правительства рано и часто замечают это. В 2009 году Фонд Макартура, присуждая ему стипендию «гений», назвал его работу «фундаментом революции в производстве промышленной, бытовой и биосовместимой электроники». Два года спустя он получил премию Лемельсона-MIT, своего рода Оскара для изобретателей. Каждый пришел с чеком на 500 000 долларов.
Чтобы собрать свой обширный портфель патентов, Роджерс основал четыре стартап-компании. Они собрали десятки миллионов долларов в капитале и присматриваются к рынкам - биомедицине, солнечной энергии, спорту, мониторингу окружающей среды и освещению - столь же эклектичным, как и его творческие импульсы. Ранее в этом году одна компания, MC10, в партнерстве с Reebok, запустила свой первый продукт: Checklight, тюбетейку с гибкими силиконовыми цепями, которую можно носить отдельно или под футбольным или хоккейным шлемом, которая предупреждает игроков о потенциально сотрясении головы при помощи набора мигающих светодиоды.
***
Роджерс родился в 1967 году в Ролла, штат Миссури, старший из двух сыновей. Два года спустя, в тот день, когда его отец, Джон Р. Роджерс, закончил устные экзамены на степень доктора философии в государственном университете, семья погрузила машину в Хьюстон. Там лаборатория Тексако наняла его отца для разведки нефти, проводя акустические исследования подземных горных пород.
Его мать, Паттианн Роджерс, бывший учитель, оставалась дома, пока мальчики были молоды, и писала стихи, часто о науке и природе.
Семья обосновалась в пригороде Хьюстона в Стаффорде, в новом подразделении, граничащем с пастбищами. Джон и его младший брат Арти отправлялись в поля и через несколько часов возвращались со змеями, щелкающими черепахами и зверинцем «варминтов», сказала мне его мать.
Паттианн разжигала восхищение своих сыновей природой, участвуя в их прогулках на свежем воздухе и часто записывая записи. Она продолжит публиковать более дюжины книг и выиграет пять премий Пушкарт, а также стипендию Гуггенхайма.
Когда я спросил, вдохновлялись ли какие-нибудь из ее стихов просмотром Джона в детстве, она направила меня к «Концепциям и их телам (« Мальчик в одиночестве »)» о пересечении естественной тайны и научной абстракции.
«Глядя на глаз грязной черепахи / достаточно долго, он видит здесь концентричность», - начинает он.
Роджерс сказал мне, что разговоры за детским ужином «будут варьироваться от физики и естественных наук с моим отцом до более вдохновляющих аспектов науки через мою маму. Он внушил идею, что творчество и искусство являются естественной частью науки. Не только его исполнение, но и последствия, которые вытекают из него ».
Роджерс, который учился в государственных школах и стал орлом-скаутом, поступил на свою первую научную ярмарку в четвертом классе с «этим гигантским параболическим отражателем, который мог бы принять солнце Техаса и просто сделать его ядерным с точки зрения мощности, которую вы могли бы генерировать». В пятом классе он выиграл ярмарку по всему району с коробкой зеркал и источников света, которые создали иллюзию человека, вступающего в НЛО.
Он закончил курсовую работу так быстро, что большая часть его старших классов в школе была самостоятельной. Имея суперкомпьютеры в лаборатории своего отца и множество неисследованных данных глубинного зондирования, он написал новые алгоритмы для картирования дна океана и обнаружил гигантский соляной язык на дне Мексиканского залива. Результаты принесли Роджерсу множество стипендий в колледже на научной ярмарке в Хьюстоне, проходившей в том же году в Astrodome.
Во время обучения в Техасском университете в Остине он записался на работу в лабораторию профессора химии. Он трудился плечом к плечу со старшими исследователями среди всей этой сверкающей стеклянной посуды и был очарован. Сегодня он выделяет от 30 до 50 мест для старшекурсников в своих лабораториях, почти столько же, сколько остальная часть отдела материаловедения вместе взятых. «Мне не нужно смотреть на оценки: если они хотят, они учатся», - говорит он. «Это показывает им, что занятия в классе важны для науки, но это не сама наука».
Он специализировался в области химии и физики в Остине, а затем получил степень магистра по тем же предметам в Массачусетском технологическом институте. Кит Нельсон, эксперт по оптике в Массачусетском технологическом институте, был настолько впечатлен невероятной ранней записью Роджерса, что предпринял необычный шаг - написал письмо, убеждая его получить степень доктора философии. «У него просто было так много показателей, что он мог достичь потрясающих результатов в науке», - говорит Нельсон.
На втором или третьем курсе аспирантуры Роджерс нашел способы упорядочить методы Нельсона. В одном примечательном случае он заменил паутину пересекающихся лазерных лучей и кропотливо наклоненных зеркал, используемых для изучения демпфирования звуковых волн, одной маской, рассеивающей свет, которая достигла тех же результатов с одним лучом за долю времени.
Кто-нибудь думал об этом раньше? Я спросил Нельсона. «Я могу сказать вам, что мы должны были понять это раньше, но факт в том, что мы этого не сделали. И я имею в виду не только нас », - сказал он. «Я имею в виду целое поле».
В качестве кандидата наук Роджерс разработал методику определения свойств тонких пленок, подвергая их воздействию лазерных импульсов. Люди в полупроводниковой промышленности начали обращать внимание еще до того, как он окончил аспирантуру. Для контроля качества фабрики нуждаются в точных измерениях ультратонких внутренних слоев микрочипа по мере их нанесения. Преобладающий метод - постукивание по слоям с помощью зонда - был не просто медленным; это также рискует сломать или испачкать чип. Лазерный подход Роджерса предложил дразнящее решение.
В последний год обучения в Массачусетском технологическом институте Роджерс и его одноклассник приняли на работу студентов из Школы менеджмента Слоана при школе и написали бизнес-план на 100 страниц. Нельсон обратился к соседу, который был венчурным капиталистом, и вскоре у группы были инвесторы, генеральный директор и встречи в Силиконовой долине.
Переход от класса к классу не всегда был гладким. На встрече в Tencor, компании по тестированию чипов, Роджерс спроектировал прозрачность после прозрачности уравнений и теории.
«Стоп, это слишком много, - вмешался руководитель Tencor. - Почему бы вам не сказать мне, что вы можете измерить, и я скажу вам, можем ли мы его использовать».
Роджерс просмотрел его список: жесткость, расслоение, продольная скорость звука, термический перенос, коэффициент расширения.
Нет, все равно, нет, нет, сказал руководитель. Как насчет толщины? Вы можете сделать это?
Ну да, сказал Роджерс, хотя это был единственный критерий, который он даже не упомянул в своем бизнес-плане.
Это то, что я хочу, сказал руководитель.
«Это был оригинальный момент во всей нашей жизни», - вспоминает Мэтью Банет, одноклассник из Массачусетского технологического института, который стал одним из основателей стартапа и в настоящее время является директором по технологиям в компании, производящей медицинское программное обеспечение и устройства. «Мы вернулись с хвостами между ног».
Вернувшись в Кембридж, они месяцами возились с лазерной системой, пока она не выполнила в точности то, что хотел Тенкор: измерял изменения в толщине, как мельчайшие, как одна десятая от ангстрем, или одна сотая, одна миллиардная часть метра.
Дай и бери между промышленностью и изобретателем был откровением. Роджерс увидел, что «иногда технологический толчок стимулирует научное понимание, а не наоборот». Он и его коллеги уже опубликовали работы по лазерной технике, но требования Тенкора заставили их вернуться к чертежной доске, «чтобы понять намного больше о оптика и физика, акустика и обработка сигналов.
«Это помещает все научные исследования в контекст чего-то, что может иметь ценность за пределами публикации в научном журнале».
Лазерный стартап Rogers, Active Impulse Systems, собрал 3 миллиона долларов венчурного капитала и продал свой первый аппарат InSite 300 в 1997 году. В августе 1998 года, через три года после своего основания, компания была приобретена компанией Phillips Electronics в целом за 29 долларов. млн.
***
Если лаборатория Кита Нельсона научила Роджерса измерять, то лаборатория Джорджа Уайтсайда в Гарварде научила его строить. Роджерс приехал туда в 1995 году, сразу после получения докторской степени. Страсть Уайтсайда в то время была мягкой литографией, техникой использования резинового штемпеля для печати рисунков чернил толщиной с молекулу. Вскоре Роджерс увидел, что существует возможность нанесения чернил на изогнутые поверхности, например, на оптоволоконный кабель. Эта идея - и патенты и документы, которые последовали за ней - выиграли его предложение о работе в Bell Labs, легендарной исследовательской группе AT & T, в северной части Нью-Джерси. Жена Роджерса, Лиза Дар, коллега-физик и одноклассник Массачусетского технологического института, на котором он женился в 1996 году, уже работала там; они вели междугородние отношения.
«Для меня это было похоже на рай, - говорит он о Bell Labs, которая впервые применила транзистор, языки программирования лазера и ориентир, такие как C.« Я был привлечен к этому интерфейсу между наукой и техникой ». Но крах телекоммуникаций в 2001 году привел к массовым увольнениям в Bell Labs, а затем пришла еще одна бомба: молодой исследователь из отдела Роджерса сфабриковал данные для ряда основных статей, скандал, вызвавший общенациональные заголовки. Роджерс решил перейти в университет Иллинойса, говорит он, из-за его легендарного инженерного отдела и обширных ресурсов для междисциплинарных исследований. (Кроме того, ребенок - их единственный ребенок, Джон С. - был в пути, и семья его жены была из Чикаго.)
Вскоре Роджерс собрал исследовательскую группу из 25 аспирантов, 15 аспирантов и нескольких десятков студентов. Размер группы позволял сотрудничеству настолько разнообразным, что их можно назвать беспорядочным. Во время моего трехдневного визита Роджерс проводил встречи или телефонные конференции с экспертом по нанотрубкам из Университета Лихай; кардиолог Университета Аризоны; специалист по тепловидению в Национальных институтах здравоохранения; команда физиков-теоретиков, которые уволили из Северо-Западного университета; и профессор моды, который приехал из Чикагского института искусств, чтобы поговорить о одежде, украшенной светодиодами.
В течение одного из получасовых интервалов, на которые он делит свой 13-часовой рабочий день, мы наблюдали, как пять магистрантов дают точно синхронизированные слайд-шоу о своих летних исследовательских проектах. Роджерс, его ноги подпрыгивают под столом, словно мчится к какому-то новому откровению, пингует студентов вопросами, снимает групповое фото и дает подарочные карты ведущим - все до того, как полчаса истекло.
Уайтсайдс сказал мне, что Роджерс не обременен синдромом «не изобретено здесь», который поражает многих ученых, которые опасаются, что сотрудничество каким-то образом подорвет их оригинальность. «Джон считает, что если это хорошая идея, он совершенно счастлив использовать ее по-новому».
«Многие наиболее важные достижения в области исследований происходят на границах между традиционными дисциплинами», - говорит Роджерс. Его научная статья о переходной электронике перечисляет 21 соавтора из шести университетов, трех стран и одной коммерческой консалтинговой фирмы.
Студенты вдохновили некоторые из его самых известных изобретений. Услышав, что Роджерс говорит о мягкой литографии, один из них спросил, не наносила ли технология когда-либо печать на кремний, а не на молекулы чернил. «У него не было ни малейшего представления, как это сделать, но он бросил это как вопрос: вопрос, который задал бы первокурсник».
Роджерс столкнулся с проблемой: как превратить твердый кремний в губчатую чернильную подушечку? В результате серии экспериментов он обнаружил, что, если вы нарезаете кремниевый слиток на пластины под неортодоксальным углом, а затем промываете пластину в определенном химическом растворе, вы можете размягчить тонкий поверхностный слой, который оторвется от штампа, как чернила. Шаблон - например, элемент схемы - можно снять и напечатать на другой поверхности.
«Никто не делал этого раньше», - говорит Кристофер Беттингер, специалист по материалам из Carnegie Mellon. По его словам, среди многих технических загадок Роджерса была «обратимая липкость».
«Если вы облизываете палец и кладете его в сахарную пудру, вы можете взять сахарную пудру», - сказал Беттингер по аналогии. «Но как же тогда вы кладете сахар на что-то еще?» Роджерс сделал это со сдвигом скорости: чтобы набрать штамп, быстро дотронуться и поднять; чтобы нанести на новую поверхность, коснитесь и медленно поднимите. Это открытие позволило ему имплантировать кремниевые «наномембраны» практически везде: пластик и резина для его тату-подобной электроники и шелк для растворимых. Он обнаружил, что может даже наносить контуры прямо на кожу.
Александр Ной, эксперт по биоэлектронике в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, сказал мне, что рост Роджерса - это продукт «бумаг, приглашенных переговоров и записей», но также и чего-то нематериального: «крутой фактор».
***
Деньги на работу по переходной электронике Роджерса поступают главным образом из Агентства перспективных исследовательских проектов в области обороны (Дарпа), подразделения Министерства обороны, которое финансирует некоторые из самых смелых научных идей.
Роджерс, имеющий разрешение правительства на безопасность, говорит, что Дарпа хочет, чтобы он оставался мамой о конкретных военных приложениях. «Но вы можете себе представить, - говорит он. Я не должен был. В январском новостном выпуске 2013 года на веб-сайте Darpa подробно рассказывается о целях программы «Исчезающие программируемые ресурсы», которая легла в основу исследования Роджерса: Агентство ищет способы справиться с радиоприемниками, телефонами, дистанционными датчиками и другой сложной электроникой, которые используют вверх «разбросаны по полю битвы» после военных операций США. В случае захвата противником эти электронные отходы могут «поставить под угрозу стратегическое технологическое преимущество Министерства обороны.
«Что, если эта электроника просто исчезнет, когда она больше не будет нужна?» - говорится в сообщении.
Без сомнения Q - руководитель лаборатории британской секретной службы в фильмах 007 - будет впечатлен. Роджерс, со своей стороны, похоже, очень удивлен тем, о каких приложениях он может говорить. Он и его коллеги представляют датчики, которые отслеживают разливы нефти в течение заданного периода времени, а затем растворяются в морской воде, и мобильные телефоны с нетоксичными цепями, которые разлагаются, а не отравляют свалки, и не оставляют карт памяти для сбора данных для личных данных. Они также видят сундук с медицинскими устройствами: «умные стенты», которые сообщают о том, насколько хорошо заживает артерия; насос, который титрует лекарство в труднодоступные ткани; «Электропрепараты», которые борются с болью с помощью электрических импульсов, а не лекарств.
Одно из преимуществ «быстротечности» во временных медицинских имплантатах заключается в том, что это избавит пациентов от затрат, хлопот и риска для здоровья при повторной операции по извлечению устройств. Но Роджерс говорит, что цель состоит не столько в том, чтобы заменить существующие технологии in vivo, такие как кардиостимуляторы, кохлеарные имплантаты или глубокие стимуляторы головного мозга, чем в том, чтобы принести электронику там, где ее никогда не было.
***
Не так давно Роджерс вылетел со своей большой семьей на Мальту, где его брат работает дизайнером видеоигр. Роджерс заметил какую-то камбалу во время снорклинга, и в такси от пляжа до дома его брата его мать, поэт Паттианн, восхищалась эволюцией рыбы с глазами на спине. «Различные способы выживания в жизни», - сказала она своему сыну, направляя разговор в мистическом направлении. "Это почему?"
Ее сын был так же любопытен к камбале, но по причинам, которые имели мало общего с метафизикой.
«Дело не в этом», - сказал он ей. «Это как : как они это сделали».
