前沿科技创业的驱动者

像素的革命,从低辐射医学成像到集成指纹识别的手机屏幕

导读:当像素不再只是负责显示,这个世界会发生什么?也许并不是什么大不了的,但是它却可以让人们未来进行X光、CT成像时,接受的辐射量大大减少;却可以让人们的手机不需要额外安置独立的光学指纹传感器,也不需要执行特殊的扫描指纹动作,正常地点按屏幕就能完成解锁。本期专访邀请到了来自中山大学-卡耐基梅隆联合工程学院(JIE)的王凯教授,王凯教授接受了我们的专访并向我们介绍了他目前关于薄膜晶体管技术的研究。

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王凯博士现任中山大学-卡内基梅隆大学联合工学院助理教授,卡内基梅隆大学兼职教授,博士生导师。2000年7月毕业于华中科技大学(本科),2003年7月毕业于大连理工大学(硕士)。2008年5月毕业于加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo),获电机与计算机工程学博士学位,导师为Arokia Nathan博士(现剑桥大学教授)。

同年,获得加拿大国家自然科学与工程研究协会(NSERC)博士后基金,加入加拿大Thunder Bay健康医学中心,主持并参与了X射线成像探测器、生物医学成像器件、和传感技术等多个研究项目。2011年7月,作为高级硬件研发工程师加入苹果公司(美国),从事触控和人机界面产品的研究工作,积极参与了iPhone、iPad、和iMac等系列产品的开发。2013年12月起,他加入中山大学-卡内基梅隆大学联合工程学院,专门从事生物医学成像器件、生物传感器和执行器、以及大面积电子学方面的教学和研究工作。已经在国际学术期刊上发表论文20篇、国际会议论文24篇,申请发明专利13项,授权3项。自2013年8月起,他还担任IEEE/OSA Journal of Display Technology副主编(Associate Editor)。

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王凯教授(右)接受SME运营总监张磊的专访

王凯教授向我们介绍低剂量成像的一些研究和开发,即在屏幕的像素内部植入一个小的放大器,在实现普通常用的薄膜晶体管功能的情况下,通过对它结构的重新设计,使得它同时具有信号放大的功能。其优势在于像素在接受到信号后在像素内部就对信号进行了放大处理,可以实现低剂量的清晰成像,我们称之为Smart Pixel技术,也就是所谓的智能像素。这项技术非常适合应用在医学成像领域,可以大大降低辐照剂量。

低剂量成像技术针对的主要是儿童等较脆弱的患者,因为儿童对剂量大小更加敏感,尤其是对于五岁以下的低龄儿童,因为儿童的骨骼肌肉和软组织还没有发育完全,长期接收X射线辐照,致癌率会比成人高3-4倍,所以在这一方面会相对更脆弱一些,对辐照剂量的要求会更严格一些。王凯教授表示,这项技术在未来将会大力推广,并不只局限在用于儿童。智能像素技术很容易整合到医学成像系统当中去,例如传统的CT技术,结合智能像素技术,能够大大降低它的剂量。这部分的研究目前还在早期阶段,随后王凯教授的团队将会制作一个小型的阵列作为产品的原型,待做出产品后,将会开始进行小型动物的实验。

同时低剂量成像对于生物医学研究的来说也是很合适的。王凯教授的团队目前与中大第一附属医院和南方医科大学的放射科建立了合作。王凯教授提到“这项技术也是可以用在一些生物科研上,比如一些新型药品的动物临床试验,因为高剂量的X光辐照对某些病症比如癌症肿瘤,是会带入新的影响因素,我们的技术可以尽可能的排除这种影响。有一些癌症患者在治疗的过程中由于经常性的收到高剂量的辐照,会导致引发新的癌症。”

“项目后期的软件部分,比如后期成像的处理重建也在同期研发当中。目前我们在顺德的实验室开发了世界第一台环形十字结构的成像系统,我们用两套的设备并使它们之间成一定的角度。一般我们拍的胸片是二维的,如果是要拍三维的就要去拍CT,而CT的辐照剂量还是比较高的。我们的项目拍出来的图像是介于二维和三维之间的,就是剂量上要比CT低很多,但是同时我们通过多角度拍摄,之后通过三维重建,使得它的信息又比普通胸片多得多。在医生不能判断病灶的情况下,我们可以做一个叫断层成像,也就是多角度的拍摄,大概拍摄六到七张,不会像CT那样这么大的拍摄量。一些相关的图像处理技术还在开发当中。”

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王凯教授向张磊介绍研究的进展

另外一方面,王教授其他的团队正在把同样的Smart Pixel技术下放到民用的消费电子产品上,也就是应用在智能手机上。通常而言手机的光学指纹传感器一般只有一个,最近也有黑客用假指纹成功伪装解锁了手机,其安全性值得质疑。利用Smart Pixel技术将手机或者平板的屏幕重新设计,使得每一个像素也能够同时担任指纹识别的工作,将指纹传感器集成到整个手机屏幕上,这样整个屏幕就可以在使用手机的时候实时监控使用者的指纹,但凡在使用过程中检测到指纹不通过,就能锁定手机,不需要担心泄露隐私。

王凯教授的研究领域还涉及能量采集,生物传感器,测量心率等领域,都是基于半导体薄膜晶体管的设计研究。心率测量也是顺应现在可穿戴设备的潮流,通过检测脉搏的压差波形来监控人的健康状态。说到可穿戴设备,不得不说现在可穿戴设备的一个瓶颈,就是设备的续航。王凯教授的项目打算将一个柔性能量自采集的技术应用在可穿戴设备上,使其实现自发电,以此摆脱对电池的依赖。

目前JIE学院多数的研究项目都是现在业内比较热门的,未来的前景也是十分广阔的。“我们多数时候都埋在实验室里比较忙,没有太多的时间去传播这些技术,像SME这样一个科技媒体就显得很重要了,你们不仅面对的是高校,也面对很多企业,这是一个很好的平台。”

“有很多的专家教授其实很想把自己的一些观点分享给民众,但是苦于没有途径或者不懂得传播和包装,就需要一个科技媒体作为中间人帮助他们”。

有些传统的研究领域在结合一些新兴的技术后也可以变得非常有前景,但是往往得不到老百姓的关注。例如传统的电力行业,在引入了互联网、智能电网的概念后,结合目前的新能源或者新能源汽车这样的相关领域,就会焕发新的生机。

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王凯教授与曾在学术圈的张磊聊得酣畅

王凯教授曾经在苹果公司工作过,这对他的科研生涯会带来怎么样的影响呢?

王凯教授感触颇深地说道“在工业产业界工作过又回到学术界的确会有一些不同的观点,最明显的就是对项目的理解会更为直接。我们在选择项目的时候会更多地考虑技术的应用前景,以及产业化的实现难度,不会为了研究而研究。我们知道有很多高校学术文章都非常高产,但是有超过九成的研究都被埋没了。很多研究不需要去随波逐流,每所高校都是一座金矿,只是没有去开发。”

因为目前的学术管理体系还不完善,导致很多项目研究发表了文章就没有继续跟进,有很多很有潜力的研究就这样被埋没了,没有推广到工业界产业界,去实现应用。我们亟需这样一个机构,能将高校的研究成果转化出去。很多研究就因为没有及时地转化而丧失了当初的前沿性。

王凯教授表示:高校的科研相对与企业而言其最大的特点是前沿性,很多研究或许是难度大,或许是风险高,很多企业不愿意投很大的成本和精力做开发研究,而高校鼓励的正是带有前瞻性的一些基础研究,这些研究很大程度上会引领未来科技的一个发展方向,所以高校的研究应该是需要一定的耐心,不能过于功利。

举个石墨烯的例子,在石墨烯刚成为热点的时候,很多教授都放弃自己原来擅长的领域转向对石墨烯的研究,确实在五年之内就可以抓住这个热点,发表很多的学术文章。然而五年之后,关于石墨烯特性的研究都已经很完善了,却仍不能解决石墨烯量产的难题,那么研究的现实应用意义就没有实现。而真正与应用衔接的产业化环节需要长时间的研究,而且不容易发表学术成果,就很少人去投入,而如何产业化的研究才是最具有现实意义的。

一个技术从0到1,从无到有这个事情很多时候是在高校完成的,而从1到100可能就是通过企业去完成,而从0到1这件事并没有想象中的那么困难,一个研究热点出现往往三到五年通过无数的研究很快就能吃透了,反而是从1到100这件事往往需要更长的研发周期。

目前高校的政策现在也逐渐利于成果的转化。以前研究成果的知识产权都是归高校所有,成果转化之后的利润教授也只能拿到一小部分的分成;现在虽然知识产权仍然是归学校所有,但是科研成果转化后的利润分成已经提高了很多。我们可以发现一些产业化做的好的高校一定是在知识产权上有非常开明的政策,这样可以大大调动科研人员的积极性,我们国家也应该往这个方向发展。

高校的学术评价体系也应该有所改变,不能唯文章论英雄。对于不同的学科不能套用同样的评价体系,例如工科,有很多研究不容易发表学术文章,如果还是以学术文章的数量评价的话很容易造成一种很浮躁的科研氛围。

对于将原本封闭的科研实验室开放给公众参观学习我们也是很鼓励的,这有利于培养民众的科学素养,现在为什么会有这么多谣言,就是因为大众的科学素养的缺失。我们把科研开放给大众,让科学不神秘,是非常利于整个社会的,这一点我们可以参考西方的一些媒体,例如MIT technology review,TED这些。

所以一个科技媒体是可以连接我们学术界和整个大众社会的。社会需要这样的平台,学术界更需要这样的平台。

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