貼在皮膚上的LED屏幕技術(shù)分析

一位獨(dú)居在一個(gè)小山村里的老婦人吃完午飯后正在休息。 她手背上貼著一塊方形薄橡膠片。它就像膏藥一樣，可以隨著手指的動(dòng)作伸展和彎曲。?當(dāng)她伸手去拿茶杯時(shí)，手背上的方形貼片亮起了一條信息：“服用降壓藥?！彼⑿χ?，回憶起她過(guò)去是如何想盡辦法記得吃藥的，即使智能手機(jī)已經(jīng)向她發(fā)送這樣的提醒，她依然時(shí)常忘記。不過(guò)現(xiàn)在，多虧了她手上名片大小的貼片，她一劑藥都沒(méi)漏掉。真的，她在屏幕上看到，她的血壓值已經(jīng)在一個(gè)健康的范圍內(nèi)了。?未來(lái)幾年，輕薄、明亮、防水、無(wú)需粘合劑就可以貼在皮膚上的屏幕將開始出現(xiàn)。除了老年人外，運(yùn)動(dòng)員、旅行者、時(shí)髦人士和早期采用者的手上和胳膊上也會(huì)出現(xiàn)它們的身影。它們將低調(diào)地更新跑步者和騎行者的心率和水分需求、紫外線照射情況，甚至顯示前方的路線地圖。它們將用于在朋友和愛人之間傳遞秘密信息。毫無(wú)疑問(wèn)，時(shí)尚潮人將用它在派對(duì)和節(jié)日里互相傳遞信息和重要數(shù)據(jù)。這種屏幕甚至還可以用于與觀看者分享情感，表示你的興趣、焦慮、興奮，以及是否有空。在不同環(huán)境下，它可能會(huì)增進(jìn)友誼、加深交流，或創(chuàng)造極好的獨(dú)處時(shí)光。 對(duì)于老年人或體弱者，這些屏幕可以顯示心電圖波形，收集安放在身體其他部位的無(wú)線電極數(shù)據(jù)。還可以提醒那些聽力不好的人有來(lái)電或有人在敲門。 這些輕薄、靈活的柔性屏幕的放置位置并不局限于皮膚；它們同樣可輕松應(yīng)用于衣服和其他物體的曲面上。它們的顏色、亮度或圖案可能會(huì)隨著你的活動(dòng)或?qū)χ車澜绲姆磻?yīng)而改變。 隨著能夠扭曲、彎曲和拉伸的輕薄柔性電路的出現(xiàn)，人們可以將半導(dǎo)體電路貼在皮膚上，將其包裹在手、胳膊、小腿或軀干的曲面上。第一代這種柔性可穿戴設(shè)備是醫(yī)院等用來(lái)測(cè)量生命體征的傳感器。運(yùn)動(dòng)飲料公司佳得樂(lè)今年早些時(shí)候發(fā)布了一款柔性汗液監(jiān)測(cè)貼片。 不過(guò)要從這些傳感器中獲得有用信息，用戶仍然需要拿出智能手機(jī)或查詢附近的電腦。智能手表的目的是減少獲取這些信息的繁瑣性，但不少人覺(jué)得它們比較笨重，而且屏幕小，不方便閱讀。 長(zhǎng)久以來(lái)，顯示屏一直是可穿戴設(shè)備發(fā)展道路上的一塊洼地，許多研究人員一直在努力填平這塊洼地，包括我在東京大學(xué)工程學(xué)院有機(jī)晶體管實(shí)驗(yàn)室的研究小組。傳統(tǒng)的顯示技術(shù)很難做到具有柔性。雖然可卷曲電視和可折疊智能手機(jī)終于面世了，但它們確實(shí)很貴。而且，它們只能朝一個(gè)方向卷曲或折疊，不能扭曲或拉伸。 現(xiàn)在，真正明亮的柔性屏幕終于即將實(shí)現(xiàn)，隨時(shí)可以為我們提供所需要的信息，而不再需要通過(guò)手機(jī)。我的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)并演示了幾個(gè)版本的這種皮膚顯示屏。大日本印刷株式會(huì)社正致力于將我們的皮膚顯示技術(shù)推向市場(chǎng)，可能會(huì)在未來(lái)三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

并非所有類型的屏幕都可以拉伸。例如，在液晶屏中，光從后面的一組電極發(fā)出，電極之間有一層液晶。打開和關(guān)閉電流會(huì)改變液晶的方向，從而改變光的偏振，使光可以通過(guò)偏振濾波器進(jìn)入觀看者的眼睛，或者被濾波器堵塞。拉伸液晶屏?xí)淖円壕拥暮穸?，改變晶體的排列。 基于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的屏幕沒(méi)有這樣的限制。這些OLED屏確實(shí)可以打印到輕薄的柔性基板上。今天的可卷曲屏就利用了這一性能。然而，到目前為止，可以向多個(gè)方向拉伸和彎曲的OLED屏還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，盡管據(jù)報(bào)道三星正在研發(fā)這種屏幕。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里制作了一款低分辨率的OLED原型屏。不過(guò)，研究人員仍需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能開發(fā)出一種既有柔性又經(jīng)久耐用，還可以保護(hù)設(shè)備免受氧氣和水汽傷害的材料。 所以我的團(tuán)隊(duì)主要研究無(wú)機(jī)發(fā)光二極管的微型LED顯示屏。我們不是唯一采取這種方法的人。比如，西北大學(xué)的羅杰斯研究小組、荷蘭微電子研究中心（Imec）和荷蘭國(guó)家應(yīng)用科學(xué)研究院（TNO）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)以及芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心（VTT）的研究人員也在研究將LED陣列用于柔性顯示屏。 我們最近使用商用微型LED生產(chǎn)了我們的第二代全彩皮膚顯示屏。在這些顯示屏中，一個(gè)圖像元素（像素）由一個(gè)1.5平方毫米的封裝構(gòu)成；每個(gè)封裝都包含一顆紅色、一顆綠色和一顆藍(lán)色LED。因?yàn)檫@些器件是用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)制造的，所以單顆LED和及其封裝都很堅(jiān)硬。但是LED很小，我們把它們裝在一塊橡膠片上，用可伸縮的電線連接起來(lái)，造出一塊柔性很強(qiáng)的顯示屏。

這些微型LED封裝以12×12陣列排列。未拉伸時(shí)，像素封裝間距為2.5毫米，因此整塊顯示屏約為46平方毫米，厚度僅為2毫米。我們可以自由地彎曲和扭曲它，最大可拉伸到原始長(zhǎng)度的130%，將像素之間的距離從2.5毫米擴(kuò)大到3.25毫米。拉伸會(huì)在一定程度上扭曲圖片，但文字仍然清晰易辨，而且已經(jīng)證明這種顯示屏能夠抵抗穿戴和撕拉帶來(lái)的磨損。

這種可拉伸顯示屏的制作是從一個(gè)非常薄的塑料基板開始的。然后，我們使用絲網(wǎng)印刷來(lái)定義將像素連接成電路的接線，這種接線由銀漿（一種含有銀片的樹脂）制造而成。在干燥的情況下，這種銀漿是有彈性的，即使它發(fā)生膨脹和收縮也能導(dǎo)電。

印刷電路完成后，我們用標(biāo)準(zhǔn)的商用表面貼片機(jī)，將微型LED芯片焊接到塑料薄膜電路板上。然后將塑料薄膜層壓到已在框架上預(yù)拉伸過(guò)的硅橡膠基底上。器件完成后便成為了一塊多層薄片，包括LED封裝、銀線、薄塑料膜和硅基底，將它從框架中取出后，它就可以彎曲了。它以這種皺褶、收縮的形式應(yīng)用于人類的皮膚。由于硅材料的天然特性，它無(wú)需粘合劑即可貼合皮膚。 這就是我們的顯示屏：印刷銀導(dǎo)線連接微型LED粘在預(yù)先拉伸的硅基底上?，F(xiàn)在，我們把控制器、無(wú)線通信設(shè)備和電池等電子器件放在一個(gè)單獨(dú)的硬包裝中，通過(guò)導(dǎo)線與顯示屏相連。為了進(jìn)行測(cè)試，我們將柔性顯示屏放在用戶的手上，并將其他電子器件像手表一樣綁在手腕上。顯然，設(shè)備商業(yè)化之前，我們還需要縮小這些外部組件的尺寸，并將它們放入柔性封裝中。這將帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。

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第一項(xiàng)挑戰(zhàn)是如何在沒(méi)有笨重電池的情況下，為顯示屏供電一周或更長(zhǎng)時(shí)間。研究人員正在努力改進(jìn)可穿戴設(shè)備的電源?，F(xiàn)已有可拉伸太陽(yáng)能電池，其效率也已經(jīng)達(dá)到12%以上，在室外每平方厘米可產(chǎn)生約10毫瓦的電能。但從它們身上獲取足夠的電力來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示屏仍然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，肯定會(huì)涉及開發(fā)用電量比現(xiàn)在少得多的顯示屏控制器和無(wú)線通信設(shè)備。 同時(shí)，我們希望驅(qū)動(dòng)更多像素。我們知道144像素的陣列可以用來(lái)顯示文本，但這并不是最佳像素。目前，我們受到商用LED尺寸的限制。幸運(yùn)的是，微型LED的用途不限于皮膚顯示，制造商正在努力使它們的尺寸變得一年比一年更小。皮膚顯示屏無(wú)疑將受益于這一發(fā)展。

我們還需要提高耐用性。目前，我們的顯示屏在機(jī)械測(cè)試中可以承受1萬(wàn)次反復(fù)拉伸。但可以想象，對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，人們每天大部分時(shí)間都會(huì)佩戴我們的顯示屏，而且日復(fù)一日。所以我們需要做得更好，比如承受100萬(wàn)次反復(fù)拉伸。我們是怎么得出那個(gè)數(shù)字的呢？一年有525 600分鐘，想一下一個(gè)人的手伸展或彎曲的頻率，你就知道皮膚顯示屏必須有多耐用了。 然而，還需要權(quán)衡一下耐用性和皮膚對(duì)顯示屏的承受程度。如果我們使用更硬、更耐用的材料，佩戴顯示屏后就不那么舒適了。我們需要做更多的研究，找到耐用性和舒適性之間的最佳點(diǎn)。 當(dāng)然，解決許多可穿戴設(shè)備共同面臨的廣泛?jiǎn)栴}，如道德、隱私和醫(yī)療器械特有的法規(guī)，對(duì)于皮膚顯示屏的未來(lái)也非常重要，尤其是顯示生物信息的皮膚顯示屏。 基于目前所取得的進(jìn)展，我們相信自己的工作不會(huì)因?yàn)槿魏我豁?xiàng)困難而止步。相反，我們期望在不久的將來(lái)解決其中許多挑戰(zhàn)。

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如果沒(méi)有令人關(guān)注的數(shù)據(jù)傳達(dá)佩戴者，皮膚顯示屏也沒(méi)有太多的用途。為了收集這些數(shù)據(jù)，我們求助于貼合皮膚的傳感器，檢測(cè)來(lái)自心臟、大腦、皮膚、肌肉和其他器官的信號(hào)。 這些傳感器的關(guān)鍵部分是電極。為了制造柔性電極，一開始我們用一種水溶性聚乙烯醇（一種常用于粘合劑和隱形眼鏡的物質(zhì)）制成的納米纖維網(wǎng)。然后我們用氣相沉積法給這個(gè)納米纖維網(wǎng)增加了一個(gè)70到100納米厚的金導(dǎo)電層。為了將電極貼到人的皮膚上，我們將先放好它，然后向傳感器噴點(diǎn)水。水溶解了一些納米纖維，變得有粘性。這樣電極很容易粘附在皮膚上，貼合在汗腺孔或指紋脊線一樣小的曲線表面。即使它被拉伸到其長(zhǎng)度的130%（這大約是指關(guān)節(jié)彎曲時(shí)皮膚的拉伸程度），也能工作。

由于水汽能通過(guò)納米網(wǎng)，所以這些傳感器是低敏感型的，在皮膚上連續(xù)佩戴一周也不會(huì)感到不適。使用者常常會(huì)忘記自己還戴著它們?？纱┐麟姌O并不是一項(xiàng)全新的技術(shù)；可穿戴式心電圖監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)面向運(yùn)動(dòng)員推出了一段時(shí)間。但這些設(shè)備都很笨重，而且它們根本不透氣，無(wú)法長(zhǎng)期使用。 到目前為止，我們已經(jīng)在肌電圖記錄儀上使用我們的彈性電極來(lái)監(jiān)測(cè)的肌肉活動(dòng)，它的性能和傳統(tǒng)電極一樣好。我們同樣可以制造在胸部或頭部的某個(gè)位置監(jiān)測(cè)心臟或大腦活動(dòng)的傳感器。

當(dāng)我們將貼合皮膚的傳感器連接到顯示屏?xí)r，我們可以創(chuàng)建一個(gè)連續(xù)的、易于訪問(wèn)的生物特征信息流。但是皮膚顯示屏不僅可以應(yīng)用于健康保健范疇。它可提高了信息的可訪問(wèn)性。當(dāng)我們雙手都很忙并且在移動(dòng)中時(shí)，它們特別有用。比如，我們可以一邊做飯一邊看菜譜，而不擔(dān)心要先把手擦干再拿智能手機(jī)。在家里或工廠查閱說(shuō)明書時(shí)，也不用放下正在使用的工具。 在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用似乎更是無(wú)限的。我已經(jīng)提到了跑步者和騎行者，這對(duì)于他們的好處是顯而易見的。其他戶外愛好者也會(huì)發(fā)現(xiàn)它的用途。比如跳傘愛好者、沖浪劃艇愛好者和滑雪者，他們只要瞥一眼胳膊或手就能查看到頭盔式運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)的輸出。垂釣者不用放下魚竿，也不用冒著把智能手機(jī)掉到齊胸深的溪流里的風(fēng)險(xiǎn)，就能查看探魚儀上的信息。 而且皮膚顯示屏在受到撞擊時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲而不是斷裂，在有身體接觸的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中也很有用。美國(guó)每年大約有十幾名年輕的橄欖球運(yùn)動(dòng)員死于中暑或心臟病，這非常不幸。但在很多時(shí)候，這些情況都可以在致命之前被發(fā)現(xiàn)。 最后，我相信皮膚顯示屏可以讓人們到一種溫柔、親切、傳播溫暖的未來(lái)科技，而不僅僅是傳遞信息。 讓我們回到之前描述的那位老婦人吧。晚飯后她正在客廳休息。她一個(gè)人住，沒(méi)有人說(shuō)話。只有電視里的聲音打破這片寂靜。然后她注意到貼在手背上的顯示屏在閃爍著什么。是一顆心形圖案，這來(lái)自她的一個(gè)孫子，他住在遙遠(yuǎn)的城市里。這只是一顆小紅心，但她好像真的聽到孫子的聲音在說(shuō)：“我愛你，奶奶！”她把另一只手放在顯示屏上，久久地握著那顆心。這就是我對(duì)未來(lái)電子設(shè)備的期望——不僅能傳輸數(shù)據(jù)，還能傳輸情感。 ?

編輯：黃飛