Конвенционалната мъдрост има предвид, че електрониката и водата не се смесват: Знаеш това, дори ако мобилният ти телефон никога не е изплъзнал от ръката ви, да речем, във ваната. И така, миналото лято с известна тревога наблюдавах как Джон А. Роджърс весело стреля с вода по интегрална схема.
От тази история
[×] ЗАКРИТЕ
Целта на Джон Роджърс е не по-малка от границата между човек и машина. (Фото илюстрация на Тимоти Арчибалд) 
Технологичните чудеса, произтичащи от изследванията на Роджърс, включват камера, вдъхновена от окото на насекомото. (Джон Роджърс, Институт Бекман, Университета на Илинойс в Урбана-Шампан) 
Черепна капачка, която следи тежестта на сблъсъците в главата. (С любезното съдействие на MC10) 
Изследванията на Джон Роджър създадоха електрод, който плесен към мозъка. (Джон Роджърс, Институт Бекман, Университета на Илинойс в Урбана-Шампан) 
Преди да изгради устройства за тялото, екипът на Роджърс изпробва материали, разнообразни като силиций и галиев нитрид. (Джон Роджърс, Институт Бекман, Университета на Илинойс в Урбана-Шампан) 
Фото галерия
Свързано съдържание
- Тези гъвкави сензори могат да помогнат за наблюдение на пациент с инсулт при възстановяване
- Този носим 'Heart Sock' може някой ден да спаси живота
Бяхме в лаборатория в Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн, а Роджърс - учен по материали там и снимката на здравословното състояние в свеж поло, каки и пръстен на момчетата - се беше възползвал от обща бутилка с спрей. Веригата, радио-осцилатор, блестеше на кръпка от изкуствена трева, която някои постдокументи бяха поставили като фон на открито.
Първият воден пръст накара веригата бавно да се извива, като скрап хартия, току-що се разпали. Когато Роджърс отново пръскаше, веригата прегъна и се срути върху себе си. Следващите поръсвания бяха смъртоносни удари: Веригата и прозрачната й копринена подложка се извиха в течна топка, която се спускаше по дълго трева. Онова, което секунди по-рано беше функционално парче електроника с диоди, индуктори и силициеви транзистори, вече не беше по-забележимо - или дълго за този свят - от капка сутрешна роса.
"Да, доста е забавно", казва Роджърс, който е на 46 години и има най-сериозния маниер на съседния човек. Но това не беше салон трик. Роджърс и неговият екип от изследователи проектираха схемата за „преходност“: Родена е, за да умре. И както Роджърс вижда, това може да пусне електрониката в неизследвани води в медицината, екологичните изследвания и националната сигурност. Скоро можем да видим сензори, които проследяват кръвното налягане в аортата след операция на сърцето, след което се разтварят, след като пациент излезе от гората. Или нетоксичен мобилен телефон, ние сме направили умишлено канализацията, когато сме готови за надграждане. Или чувствителна технология на бойното поле, която преминава plop-plop-fizz-fizz, преди да попадне в ръцете на врага. „Надеждата ни е, че има много полза в това“, казва той. "Това не е просто любопитство."
Преходната електроника може да е най-умопомрачителното изобретение, което все още излиза от лабораторията на Роджърс, фабрика за идеи, чийто темп на публикуване в големи научни списания се съпоставя единствено от нейния брой изящни заглавия. Роджърс, който държи един от най-високите столове в университета, има назначения в пет катедри. Той ръководи и лабораторията за изследване на материалите Фредерик Сейц в училището. Той е автор или съавтор на десетки статии през повечето години, много за списания за марки, като Science and Nature . Но неговата лаборатория, при цялата си сериозна наука, може също толкова лесно да бъде заден лот за Bionic Man.
Роджърс и неговите сътрудници са изградили целофанови обвивки от електроника, които обвиват вълнообразните повърхности на сърцето. Те са направили камери с форма на очна ябълка, които имитират зрението на хора и насекоми, и меки нишки от миниатюрни светодиоди, които могат да се инжектират право в мозъка. По време на посещението ми, постдокт ми показа временна татуировка на кожата с транзистор - "епидермална електроника" - която може да освободи болничните пациенти от заплитането на проводниците и сензорите за прикрепяне, които поддържат лекарите в крак с жизнените показатели.
Роджърс се превърна в слава в научния свят не само за мечтаенето на тези идеи, но и за озадачаването как да ги изградим. Много от неговите прозрения са продукт на изучено пренебрегване на статуквото понятия за силиконови схеми.
Неустойчивостта, твърдостта и издръжливостта са основите на съвременната електроника. Те са вградени в самия му речник: микро чип, твърдо състояние, платка . За 90 процента от нещата, които електрониката прави днес, това може да е добре. Роджърс се интересува от останалите 10 процента: Той иска да направи хардуер мек - достатъчно мек за движещи се, подуващи и пулсиращи контури на човешкото тяло и природния свят. Неговата цел не е нищо по-малко от границата между човек и машина. Мозъкът "е като Jell-O и е динамичен във времето и се движи", казва Роджърс. „Силиконовият чип е напълно несъвместим в геометрията и механиката и не може да побере движението, без да ограничи това движение.“
Разбира се, електронна сонда може да бъде потопена в мозъчната тъкан. "Но сега имаш игла в купа с Jell-O, която се хвърля наоколо." Кой би искал това?
За кратко време Роджърс, подобно на други изследователи, видя пластмасовите вериги като решение. Но гъвкавостта на пластмасата дойде при това, което се оказа много скъпо: Електрически беше 1000 пъти по-бавен от силикона, суперзвездата на полупроводниците. „Не бихте могли да направите нещо, което изисква сложна, високоскоростна работа“, казва той.
Така той даде силиций втори поглед. Скоро разработи техника за изрязването й на листове, толкова изтъняващи тънки - 100 нанометра или една хилядна от тънките като човешка коса - че направи нещо, което малко мечтаеше: тя се огъва, извива и, когато е резба в змийска шарка, дори разтегнат. После отиде по-нататък. В основната статия на Science миналата година той обяви, че ако направите още силиконов скинър - 35 нанометра - той ще се разтвори напълно в биологични течности или вода за броени дни.
Роджърс знаеше, че конвенционалната силициева вафла с дебелината на един милиметър няма нищо общо с проводимостта: тежестта е там главно, за да могат роботите да я преместят през различните етапи на производство, без да се счупят.
„Имате тази гигантска индустрия, базирана на електроника на базата на вафли и по тази причина хората традиционно гледат на силикона и казват:„ Е, не е гъвкав, трябва да разработим различен материал за гъвкави схеми “, казва той. „Но ако мислите за това повече на нивото на механиката, бързо осъзнавате, че проблемът не е в силикона, а проблемът е в вафлата. И ако сте в състояние да се отървете от основните силициеви материали, които не участват в работата на веригата, ще ви остане много тънък лист силиций “, дискети като хартия със свободни листове.
В края на един работен ден през юли Роджърс се вмъкна в конферентна зала до кабинета си и излезе миг по-късно в атлетични шорти, бели чорапи и маратонки. Преди да напуснем кампуса, за да се срещнем с жена му и сина му за тенис в публичен парк, той ми направи обиколка на неговия офис, чиито книжарници бяха пълни с демонстрации на неговите изобретения, затворени в пластмасови кутии за бижута: Етикетите гласиха „лети око камера, “Сензор за близост на винилова ръкавица”, “разтегаеми слънчеви клетки”, “усукан светодиод”.
Роджърс отклонява идеята, че неговата гъвкава и разтеглива електроника представлява всякакъв вид квантов скок. „Нашите неща са наистина само нютонова механика“, казва той. Силиконът му е на фабрично направена вафла, какъв лист хартия е на две по четири: същият салам, просто нарязан много по-тънък.
„Една от силните страни на Джон е, че той признава как да приеме технология, която вече съществува в силно развита форма и да добави нещо ново към нея, за да има нови приложения“, казва Джордж Уайтсайдс, известният харвардски химик, в чиято лаборатория Роджърс работи като постдок. „Той е изключително креативен в тази разлика между науката и инженерството.“
Преходните вериги на Роджърс са обвити в протеин от коприна, който предпазва електрониката от течност и може сам да бъде формулиран да се разтвори за няколко секунди или няколко години. Вътре в коприната се намират компоненти на веригата, чиито материали - силиций, магнезий - се разграждат до химикали, съдържащи се в някои витамини и антиациди. (В реч пред инженерна група през декември миналата година, Роджърс дръпна една от веригите си на смел. "Има вкус на пиле", пошегува се той с публиката.)
Години на клинични изпитвания, последвани от регулаторни одобрения, очакват всяко въвеждане на тези устройства в човешкото тяло и точно как да захранваме и безжично да се свързваме с тях е област на активното изследване. Но световете на науката, бизнеса и правителството рано и често забелязват. През 2009 г. фондацията MacArthur, като му присъжда „гениално“ общество, нарича работата си „фундамент за революция в производството на промишлена, потребителска и биосъвместима електроника.“ Две години по-късно той печели наградата Lemelson-MIT, вид на Оскар за изобретатели. Всеки дойде с чек за 500 000 долара.
За да събере огромното си патентно портфолио, Роджърс е съосновател на четири стартиращи компании. Те са събрали капитали от десетки милиони долари и наблюдават пазарите - биомедицината, слънчевата енергия, спорта, мониторинга на околната среда и осветлението - толкова еклектични, колкото и неговите творчески импулси. По-рано тази година една компания, MC10, в партньорство с Reebok, пусна първия си продукт: Checklight, череп с гъвкави силиконови схеми, носим самостоятелно или под футболни или хокейни каски, който предупреждава играчите за потенциално съблазнителни удари в главата с набор от мигащи светодиоди.
***
Роджърс е роден през 1967 г. в Рола, щата Мисури, най-големият от двама синове. Две години по-късно, в деня, когато баща му, Джон Р. Роджърс, завърши устни изпити за доктор по физика в държавния университет, семейството се натрупа в кола за Хюстън. Там лабораторията на Тексако беше наела баща си да разузнава нефт чрез акустично търсене на подземни скални образувания.
Майка му Патиан Роджърс, бивш учител, остана вкъщи, докато момчетата бяха малки и пишеше поезия, често за науката и природата.
Семейството се установява в предградието на Хюстън в Стафорд, в ново подразделение, което граничи с пасище. Джон и по-малкият му брат Арти щяха да се впуснат в полетата и да се върнат часове по-късно със змии, щракащи костенурки и менажерия от „злодеи”, каза ми майка му.
Патиан запали очарованието на синовете си към природата, участвайки в техните ескапади на открито и често записваше бележки след това. Тя щеше да публикува повече от дузина книги и да спечели пет награди Пушкарт, както и стипендия на Гугенхайм.
Когато ме попитах дали някое от стиховете й е вдъхновено от гледането на Джон като момче, тя ме насочи към „Концепции и техните тела (Момчето в полето сам“) за пресечната точка на естествената мистерия и научната абстракция.
„Гледайки окото на калната костенурка / Достатъчно дълго, той вижда концентричност там“, започва той.
Роджърс ми каза, че разговорите за вечеря в детството „биха варирали от физика и твърда наука с баща ми и повече вдъхновяващи аспекти на науката чрез майка ми. Той вдъхна идеята, че творчеството и изкуствата са вид естествена част от науката. Не само изпълнението му, но и последиците и прозренията, които произтичат и от него. "
Роджърс, който посещава държавни училища и би станал разузнавач на орели, влезе в първия си научен панаир в четвърти клас с „този гарантуален параболичен отражател, който може да изведе тексаското слънце и просто да го направи ядрен по отношение на мощността, която можете да генерирате.“ В пети клас, той спечели общоградски панаир с кутия огледала и източници на светлина, които създадоха илюзията на човек, стъпващ в НЛО.
Той завърши курсовата работа толкова бързо, че голяма част от старшата му година беше независима. Със суперкомпютри в лабораторията на баща си и редици от непроизведени данни за дълбочина, той написа нови алгоритми за картографиране на океанското дъно и откри гигантски солен език на дъното на Мексиканския залив. Резултатите спечелиха Роджърс с набор от стипендии за колежи по време на панаир в целия Хюстън, проведен същата година в Астродом.
В бакалавърските си дни в Тексаския университет, Остин, той се записва да работи в лабораторията на професора по химия. Той работеше рамо до рамо с висши изследователи на фона на всички искрящи стъклени съдове и беше омагьосан. Днес той отделя от 30 до 50 петна за абитуриенти в собствените си лаборатории, почти толкова, колкото останалата част от отдела по материалознание, взети заедно. „Не е нужно да гледам степени: ако искат, те са вътре“, казва той. „Тя им показва, че преподаването в клас е важно за науката, но това не е самата наука.“
Завършва химия и физика в Остин, а след това печели магистърски степени по същите предмети в MIT. Кийт Нелсън, експерт по оптика в MIT, беше толкова впечатлен от страхотните ранни записи на Роджърс, че направи необичайната стъпка на писане на писмо, призовавайки го да следва докторска степен. „Той просто имаше толкова много показатели, че можеше да постигне страхотни неща в науката“, казва Нелсън.
През втората си или третата година на завършване на училище, Роджърс намери начини да оптимизира методите на Нелсън. В един забележителен случай той замени паяжина от пресичащи се лазерни лъчи и старателно наклонени огледала - използвани за изследване на затихването на звуковите вълни - с една маска, разсейваща светлината, която постига същите резултати с един лъч за част от времето.
Някой мислил ли е за това преди? Попитах Нелсън. „Мога да ви кажа, че трябваше да сме осъзнали това по-рано, но факт е, че не го направихме. И не искам да кажа само за нас “, каза той. "Имам предвид цялото поле."
За своя доктор Роджърс разработи техника за определяне на свойствата на тънките филми, като ги подлага на лазерни импулси. Хората от полупроводниковата индустрия започнаха да обръщат внимание още преди да е завършил училище. За контрол на качеството фабриките се нуждаят от строги измервания на ултратънките вътрешни слоеве на микрочипа, докато те се депонират. Преобладаващият метод - потупване на слоевете с помощта на сонда - не беше просто бавен; също рискуваше да счупи или замърси чипа. Лазерният подход на Роджърс предложи увлекателно решение.
В последната си година в MIT Роджърс и съученик наели ученици от училището за управление в Слоан в училището и написали бизнес план на 100 страници. Нелсън посегна към съсед, който беше рисков капиталист и преди дълго групата имаше инвеститори, изпълнителен директор и срещи в Силиконовата долина.
Преминаването от класната стая в заседателната зала не винаги беше плавно. На среща в Tencor, компания за тестване на чипове, Роджърс прогнозира прозрачност след прозрачност на уравненията и теорията.
"Спрете, това е твърде много", отсече изпълнителният директор на Tencor. "Защо не ми кажете какво можете да измерите и аз ще ви кажа дали можем да го използваме."
Роджърс премина през своя списък: скованост, забавяне, надлъжна скорост на звука, термичен пренос, коефициент на разширение.
Не, не ви пука, не, не, каза изпълнителната власт. Ами дебелината? Можеш ли да го направиш?
Е, да, каза Роджърс, макар че това е единственият критерий, който той дори не е посочил в бизнес плана си.
Това искам, каза изпълнителната власт.
„Това беше основен момент през целия ни живот“, спомня си Матю Банет, съученикът на MIT, който е съосновател на стартиращия и сега е главен технологичен директор на компания за медицински софтуер и устройства. „Върнахме се с опашки между краката си.“
Назад в Кеймбридж те прекараха месеци, като се занимаваха с лазерната система, докато не направи точно това, което Tencor искаше: да измери отклоненията в дебелината като малка от една десета от анстрема - или една стотна от милиарда от метър.
Привличането между индустрията и изобретателя беше разкриващо. Роджърс видя, че „понякога технологичният тласък стимулира научното разбиране, а не обратното.“ Той и колегите му вече публикуваха документи за лазерната техника, но изискванията на Tencor ги принудиха да се върнат към чертожната дъска „да разберат много повече за оптиката и физиката, акустиката и обработката на сигнали.
„Това поставя всички научни изследвания в контекста на нещо, което може да има стойност извън публикуването в научно списание.“
Лазерният старт на Роджърс, Active Impulse Systems, събра 3 млн. Долара рисков капитал и продаде първия си блок, InSite 300, през 1997 г. През август 1998 г., три години след основаването си, бизнесът беше придобит изцяло от Phillips Electronics, за $ 29 млн.
***
Ако лабораторията на Кийт Нелсън научи Роджърс как да се измерва, лабораторията на Джордж Уайтсайдс от Харвард го научи как да строи. Роджърс заминава там през 1995 г., веднага след като печели доктора си. По това време страстта на Уайтсайдс беше меката литография, техника за използване на щампован каучук за отпечатване на мастилено-дебели шарки на мастило. Роджърс скоро видя потенциала си за мастилене на вериги на извити повърхности, като оптичен кабел. Тази идея - и патентите и документите, които последваха, му спечелиха оферта за работа от Bell Labs, легендарната изследователска група на AT&T, в северната част на Ню Джърси. Съпругата на Роджърс, Лиза Дхар, сътрудник по физика и съученичка от МИТ, за която се беше оженил през 1996 г., вече работеше там; те са водили връзка на далечни разстояния.
"За мен това беше като рая", казва той за Bell Labs, който бе въвел транзистора, лазерния и забележителен език за програмиране като C. "Бях привлечен към този интерфейс между наука и технология." Но сривът на телекома през 2001 г. доведе до масови уволнения в Bell Labs, а след това дойде и друга бомба: Млад изследовател в отдела на Роджърс беше изфабрикувал данни за набор от основни документи, скандал, който създаде национални заглавия. Роджърс решава да премине към Университета в Илинойс, казва той, заради строения си инженерен отдел и дълбоките ресурси за интердисциплинарни изследвания. (Също така бебето - единственото им дете, Джон С. - беше на път, а семейството на жена му беше от Чикаго.)
Не след дълго Роджърс беше събрал изследователска група от 25 постдокументи, 15 аспиранти и няколко десетки студенти. Размерът на групата е позволил колаборациите да са толкова разнообразни, че могат да бъдат наречени безразборни. По време на моето тридневно посещение Роджърс имаше срещи или конференции с експерт по нанотръби от университета в Lehigh; кардиолог от университета в Аризона; специалист по термични изображения в Националните здравни институти; екип от физици-теоретици, които са карали с кола от Северозападния университет; и моден професор, който дойде от Художествения институт в Чикаго, за да говори за облекло без ширина на LED.
По време на един от получасовите слотове, в които той разделя 13-часовия си работен ден, наблюдавахме как петима студенти дават точно времеви слайдшоу за техните летни изследователски проекти. Роджърс, краката му подскачаха под масата, сякаш се надбягваше към някакво ново откровение, обсипваше учениците с въпроси, щракна групова снимка и раздаваше подаръчни картички на водещите презентатори - всичко преди половин час да изтече.
Уайтсайдс ми каза, че Роджърс е обременен от синдрома „не е изобретен тук“, който засяга много учени, които се опасяват, че сътрудничествата някак омаловажават оригиналността им. „Според мнението на Джон, ако това е добра идея, той е напълно щастлив да го използва по нов начин.“
"Много от най-важните постижения в научните изследвания се случват на границите между традиционните дисциплини", казва Роджърс. В научната му статия за преходната електроника са изброени 21 съавтори от шест университета, три държави и една търговска консултантска фирма.
Студентите са вдъхновили някои от най-известните му изобретения. След като чу Роджърс да говори за мека литография, човек попита дали технологията някога е подпечатвала силиций, а не само молекули мастило. "Той нямаше представа как да го направи, но го изхвърли там като въпрос: вида въпрос, който би задал първокурсник."
Проблемът, с който се сблъска Роджърс, беше: Как да превърнете твърдия силиций в гъба подложка за мастило? От поредица от експерименти той откри, че ако нарязате силиконов слитък в вафли под неортодоксален ъгъл и след това измиете вафлата в определен химичен разтвор, можете да изтръгнете тънък повърхностен слой, който да се откачи върху печат като мастило. Моделът - елемент на веригата, например - може да бъде свален и отпечатан върху друга повърхност.
„Никой не го беше правил преди това“, казва Кристофър Бетингер, учен по материали в Карнеги Мелън. Сред многото технически енигми, които Роджърс разплиташе, беше „обратима лепкавост“.
"Ако облизате пръста си и го сложите в пудра захар, можете да вземете пудра захар", каза Бетинджър по аналогия. „Но как тогава слагате захарта върху нещо друго?“ Роджърс го направи с промяна в скоростта: За да мастилете печата, докоснете и повдигнете бързо; за да надпишете върху нова повърхност, докоснете и повдигнете бавно. Откритието му позволи да имплантира силиконови „наномембрани“ почти навсякъде: пластмаса и каучук, за своята татуировка електроника и коприна, за разтворимите. Той откри, че дори може да отпечатва вериги директно върху кожата.
Александър Ной, експерт по биоелектроника в Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор, ми каза, че ръстът на Роджърс е продукт на „документи, поканени разговори и записи“, но и на нещо нематериално: „готиният фактор“.
***
Парите за преходната работа на електрониката на Роджърс идват главно от Агенцията за напреднали научни проекти в отбраната (Дарпа), отдел на Министерството на отбраната, който финансира някои от най-смелите идеи в науката.
Роджърс, който има разрешение за правителствена сигурност, казва, че Дарпа иска той да остане мама относно конкретни военни приложения. „Но можете да си представите“, казва той. Не трябваше. Съобщение за новини от януари 2013 г. на уебсайта на Дарпа е изрично за целите на програмата „Изчезващи програмируеми ресурси“, която подложи на изследванията на Роджърс: Агенцията търси начини за справяне с радиостанции, телефони, дистанционни сензори и друга сложна електроника, която вятър нагоре „разпръснати на бойното поле“ след американските военни операции. Ако бъде заловен от врага, този е-отпадък може да „компрометира стратегическото технологично предимство на DoD.
„Ами ако тези електроники просто изчезнат, когато вече не са необходими?“, Се казва в съобщението.
Без съмнение Q - лабораторът на британските тайни служби във филмите за 007 - ще бъде впечатлен. Роджърс от своя страна изглежда доста джаз за приложенията, за които може да говори. Той и неговите колеги си представят сензори, които проследяват разлива на петрол за предварително определен период и след това се стопяват в морска вода, и мобилни телефони с нетоксични вериги, които биоразграждат, а не отрови за сметища - и не оставят след себе си никакви карти с памет, за да могат да се събират лични данни. Те също така виждат сандък с медицински изделия: „умни стентове“, които отчитат колко добре заздравява артерията; помпа, която титрира лекарството в труднодостъпна тъкан; „Електропрепарати“, които се борят с болката с електрически импулси, а не с лекарства.
Едно предимство на „преходността“ при временните медицински импланти е, че това би спестило на пациентите разходите, неприятностите и рисковете за здравето на втора операция за извличане на изделията. Но Роджърс казва, че целта е по-малко да се замени съществуващата in vivo технология - като пейсмейкъри, кохлеарни импланти или дълбоки мозъчни стимулатори - отколкото да доведе електрониката там, където никога преди не са били.
***
Неотдавна Роджърс отлетя с разширеното си семейство в Малта, където брат му работи като дизайнер на видеоигри. Роджърс беше забелязал някаква камбала, докато шнорхелизираше, а в таксито от плажа до къщата на брат му майка му Патиан, поетът, се чудеше на еволюцията на рибата с очи на гърба си. "Различните начини, по които животът е оцелял", каза тя на сина си, ръководейки разговора в мистична посока. "Защо така?"
Синът й беше също толкова любопитен за камбалата, но по причини, които нямат много общо с метафизиката.
"Не е защо", каза той. "Това е как : как го направиха."
