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編者按：智能手表已經(jīng)成為了人們?cè)诮∩砼懿綍r(shí)的標(biāo)配，但那小小的一塊屏幕實(shí)在是讓人難以看清上面的文字。現(xiàn)在，科研人員們已經(jīng)研制出來(lái)了可以直接附著在皮膚上的顯示屏，它們可以隨著人的動(dòng)作和環(huán)境的變化而延展、扭曲，卻并不會(huì)對(duì)內(nèi)容的顯示造成影響，繼曲面屏和折疊屏之后，可拉伸顯示屏將會(huì)引領(lǐng)可穿戴電子設(shè)備走入新的紀(jì)元。本文翻譯自IEEE Spectrum，作者高雄染谷，原文標(biāo)題Skin Displays will Give Wearables Their Independence。

一位獨(dú)居在小山村里的老婦人在吃完午餐后想要放松一下，她的手背上粘著一塊正方形的宛如膏藥一樣的薄橡皮，當(dāng)老人活動(dòng)手指時(shí)，這塊橡皮就隨著老人的動(dòng)作而伸展、褶皺。

當(dāng)她伸手去拿茶杯時(shí)，這塊橡皮突然亮了起來(lái)，上面寫(xiě)著:“請(qǐng)服用您的降壓藥?！彼唤α艘幌?，回想起自己曾經(jīng)在手機(jī)里設(shè)置的那一大串沒(méi)用的提醒。不過(guò)現(xiàn)在，多虧了她手上那張名片大小的貼片，她再也不會(huì)忘記吃藥了，而且，她的血壓值會(huì)實(shí)時(shí)顯示在手上的屏幕上，根據(jù)測(cè)量，她的血壓目前已經(jīng)穩(wěn)定在了健康范圍內(nèi)。

在未來(lái)的幾年內(nèi)，富有彈性、薄、透亮還防水的顯示屏?xí)饾u開(kāi)始出現(xiàn)，這些顯示屏不需要粘合劑就能粘在皮膚上，它們不僅僅可以粘在老人們的手上和胳膊上，還可以戴在運(yùn)動(dòng)員、游客和時(shí)尚達(dá)人的身體上。這些屏幕不僅可以不動(dòng)聲色地更新跑步運(yùn)動(dòng)員和自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員的心率、飲水需求和紫外線(xiàn)暴露數(shù)據(jù)，它們還可以顯示前方路線(xiàn)的地圖；朋友和情侶之間可以用這塊屏幕來(lái)分享秘密；而時(shí)尚達(dá)人們則可以用這塊屏幕在派對(duì)和節(jié)日上互相傳遞信息和數(shù)據(jù)；甚至，這塊屏幕還可以檢測(cè)你的情緒變化，向?qū)Ψ奖砻髂闶欠駥?duì)這個(gè)話(huà)題感興趣，或者是感到焦慮、無(wú)聊、興奮。根據(jù)你的設(shè)置，這塊屏幕不僅可以幫助你和想要交往的人進(jìn)行深度對(duì)話(huà)，還可以幫你遠(yuǎn)離那些你不想理會(huì)的人。

而對(duì)于年老體弱的人們來(lái)說(shuō)，這些屏幕可以根據(jù)放在身體其他部位的無(wú)線(xiàn)電極傳來(lái)的數(shù)據(jù)生成心電圖波形，還可以向有聽(tīng)力障礙的人提醒電話(huà)鈴聲和敲門(mén)聲。

雖然可穿戴顯示器的第一個(gè)應(yīng)用可能是交流健康信息，但它擁有著無(wú)窮無(wú)盡的可能性。----東京大學(xué) 圖片來(lái)源：IEEE

這些薄的、靈活的、可伸縮的顯示屏不僅可以被粘在皮膚上;還可以被應(yīng)用在衣服和其他物體的曲面上，它們的顏色、亮度和圖案可能會(huì)隨著主人的活動(dòng)及周?chē)h(huán)境的改變而改變。

由于科學(xué)家們研制出了能夠扭曲、彎折和拉伸的電路，人們已經(jīng)開(kāi)始嘗試把半導(dǎo)體電路貼在皮膚上，或者把它們纏繞在手、手臂、小腿或其他彎曲的軀體表面上。第一代可伸縮的穿戴設(shè)備是在醫(yī)院之類(lèi)的場(chǎng)景下用于測(cè)量生命體征的傳感器，而運(yùn)動(dòng)飲料公司佳得樂(lè)在今年也發(fā)布了一款可曲折伸縮的用于監(jiān)測(cè)出汗情況的貼片。

但要從這些傳感器讀取信息，用戶(hù)仍需查看手機(jī)和電腦。智能手表被研發(fā)出來(lái)的目的就是讓信息的讀取變得更輕松簡(jiǎn)單，但有些人依然覺(jué)得它們很笨重，而且智能手表那微小的顯示屏確實(shí)很費(fèi)眼睛。

一直以來(lái)，顯示屏都是可穿戴設(shè)備發(fā)展道路上絆腳石，包括我在東京大學(xué)工程學(xué)院有機(jī)晶體管實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的許多研究人員都在努力攻克這個(gè)難題。傳統(tǒng)的顯示技術(shù)難以滿(mǎn)足對(duì)柔性的要求，雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了可以被卷起來(lái)的電視和有折疊屏的手機(jī)，但這些設(shè)備價(jià)格昂貴，而且它們都只能朝一個(gè)方向滾動(dòng)或折疊，并不能實(shí)現(xiàn)扭曲及拉伸。

在通往可穿戴設(shè)備的道路上，顯示器一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，真正“可彎曲”的顯示屏終于即將問(wèn)世，使我們即使離開(kāi)手機(jī)也可以隨時(shí)讀取所需要的信息。我的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)并展示了幾種不同版本的皮膚顯示屏，而Dai Nippon也正努力地將我們的皮膚顯示屏技術(shù)推向市場(chǎng)，并預(yù)計(jì)在未來(lái)三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)初步市場(chǎng)化。

并不是所有的顯示屏都可以伸縮。比如，在液晶顯示屏中，光從一組電極后面發(fā)出，而電極之間有一層液晶，打開(kāi)和關(guān)閉電流會(huì)改變液晶的方向，從而改變光的偏振，使光要么通過(guò)偏振光濾光片到達(dá)觀(guān)眾面前，要么被濾光片擋住，但拉伸液晶會(huì)改變液晶層的厚度，改變晶體的排列，所以液晶顯示屏不可伸縮。

但基于有機(jī)發(fā)光二極管(OLEDs)的顯示器卻沒(méi)有這樣的限制。這些OLED顯示器可以被印在薄且可彎曲的基片上，現(xiàn)在大家使用的滾動(dòng)顯示器就利用了這一功能。到目前為止，可以向多個(gè)方向伸展和彎曲的OLED顯示器還沒(méi)有被商業(yè)化，不過(guò)也有報(bào)道稱(chēng)三星正在研發(fā)一種OLED顯示器，而我們實(shí)驗(yàn)室也研發(fā)出了一款低分辨率OLED顯示器原型。盡管如此，要研發(fā)出有彈性、持久耐用、且可以保護(hù)設(shè)備不受氧氣和水蒸氣影響的設(shè)備，研究人員們還有很長(zhǎng)的路要走。

所以我的小組一直在研究無(wú)機(jī)微型LED。我們并不是唯一進(jìn)行這項(xiàng)研究的團(tuán)隊(duì)：西北大學(xué)的羅杰斯研究小組、來(lái)自荷蘭的Imec和TNO團(tuán)隊(duì)、以及芬蘭VTT技術(shù)研究中心的研究人員也在研究如何使用LED陣列作為可伸縮顯示器的一部分。

將傳統(tǒng)的微型LED安裝在一塊橡膠板上，并用可拉伸的電線(xiàn)將它們連接起來(lái)，這樣的顯示器可以彎曲、扭曲和拉伸到原來(lái)長(zhǎng)度的130%----DAI NIPPON印刷公司 圖片來(lái)源：IEEE

我們最近生產(chǎn)了第二代全彩皮膚顯示器，使用的是商用的微型LED。在這些顯示器中，每1.5平方毫米的組件就組成一個(gè)像素，而每個(gè)LED包含1個(gè)紅色、1個(gè)綠色和1個(gè)藍(lán)色LED。由于這些組件是使用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)制造的，所以L(fǎng)ED本身和圍繞它們的封裝都很硬。好在LED的體積很小，所以被安裝在橡膠片上時(shí)可以用可伸縮的電線(xiàn)把它們連接起來(lái)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)顯示器的彎折和拉伸。

這些微型LED組件被排列成一個(gè)12 × 12的陣列。未拉伸時(shí)像素之間的間距為2.5毫米，因此整個(gè)顯示屏的面積約為46平方毫米(約1.8平方英寸)，而厚度僅為2毫米，可以被自由地扭曲，甚至被拉伸到原來(lái)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。雖然拉伸會(huì)使被顯示的內(nèi)容輕微變形，但文字仍然清晰可辨，而且這款顯示器已被證明可以抵抗拉伸帶來(lái)的磨損。

為了制作這種可伸縮顯示器，我們需要用到非常薄的塑料基板，并用絲網(wǎng)印刷技術(shù)來(lái)規(guī)劃連接像素到電路之間的線(xiàn)路，之后需要使用銀膏（一種含有銀薄片的樹(shù)脂）來(lái)完成這種布線(xiàn)。這種銀膏在干燥狀態(tài)下十分具有彈性，即使在膨脹和收縮時(shí)也能導(dǎo)電。

在打印出電路后，我們將微型LED芯片焊接到在商業(yè)上用于連接芯片和電路板的標(biāo)準(zhǔn)表面貼板上。然后，我們將塑料薄膜壓在已被預(yù)拉伸過(guò)的硅橡膠基板上，現(xiàn)在，這樣一個(gè)包含LED封裝、銀線(xiàn)、塑料薄膜和硅基板等多層薄片的設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)彎曲和拉伸。并且，多虧了有機(jī)硅材料的天然特性，這種設(shè)備可以不需要粘合劑就能以這種皺巴巴的、收縮的形式被涂抹在人的皮膚上。

東京大學(xué)教授高雄染谷（本文作者）希望皮膚顯示器能讓家人們安靜地交流彼此的感受----東京大學(xué) 圖片來(lái)源：IEEE

我們的顯示器本質(zhì)上就是由被印刷的銀線(xiàn)連接在預(yù)拉伸的硅基板上的微型發(fā)光二極管。我們可以把控制器、無(wú)線(xiàn)電設(shè)備和電池等電子組件放在一個(gè)單獨(dú)的硬包裝中，并通過(guò)電線(xiàn)與顯示器進(jìn)行連接。在目前的測(cè)試階段，我們只能把柔性顯示屏放在用戶(hù)的手上，然后把其他的電子組件像手表一樣綁在用戶(hù)的手腕上。顯然，在我們的設(shè)備進(jìn)行商業(yè)化之前，我們必須減少其他外部組件的尺寸，并想辦法對(duì)他們也進(jìn)行柔性處理，這給柔性顯示器的研發(fā)帶來(lái)了許多其他的挑戰(zhàn)。

第一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何在沒(méi)有笨重的電池的情況下使顯示器續(xù)航至少一周以上。研究人員正在努力改進(jìn)可穿戴設(shè)備的電源，可伸縮太陽(yáng)能電池也已經(jīng)存在，并且已經(jīng)達(dá)到了12%以上的轉(zhuǎn)化率，在戶(hù)外每平方厘米的接收板能產(chǎn)生約10毫瓦的電，不過(guò)這些電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)顯示器，因此，供電依舊是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，為了延長(zhǎng)續(xù)航，我們還需要開(kāi)發(fā)出耗電量遠(yuǎn)低于現(xiàn)有顯示器的控制器和無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)。

與此同時(shí)，我們還需要驅(qū)動(dòng)更多的像素。144個(gè)像素雖然足夠顯示文本，但效果并不是最佳的。就目前而言，我們受到了商業(yè)LED尺寸的限制，不過(guò)幸運(yùn)的是，微型LED的用途不僅僅局限于可延展顯示器的研發(fā)，因此制造商們每年都在努力縮小LED的尺寸，皮膚顯示器的研發(fā)無(wú)疑將受益于LED尺寸的進(jìn)步。

我們還需要提高顯示器的耐用性。目前，我們的顯示器可以在機(jī)械測(cè)試中承受一萬(wàn)次的拉伸。但在很多皮膚顯示器的應(yīng)用場(chǎng)景中，人們需要每天都戴著顯示器，考慮到一年有525600分鐘，再考慮到一個(gè)人伸出或彎曲他的手的頻率，一萬(wàn)次拉伸的耐用度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，我們的顯示器需要達(dá)到可承受一百萬(wàn)次以上拉伸的程度。

然而，顯示器的耐用性和舒適度之間是相互矛盾的。當(dāng)我們使用更堅(jiān)硬、更耐用的材料時(shí)，顯示器的舒適度必然會(huì)下降。因此我們需要進(jìn)行更多的研究來(lái)平衡顯示器的耐用性和舒適度。

還有許多其他可穿戴設(shè)備普遍存在的問(wèn)題，尤其是對(duì)于那些將要被用來(lái)顯示生物特征信息的顯示器而言，道德、隱私和醫(yī)療器械法規(guī)等問(wèn)題十分重要。

但我們不認(rèn)為這些困難會(huì)成為障礙，用不了多久這些挑戰(zhàn)會(huì)被逐個(gè)擊破。

皮膚顯示器的價(jià)值在于與佩戴者進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。為了收集這些數(shù)據(jù)，我們需要使用皮膚傳感器來(lái)檢測(cè)來(lái)自心臟、大腦、皮膚、肌肉和其他器官的信號(hào)。

電極是這些傳感器的關(guān)鍵。為了制造柔性電極，我們從水溶性聚乙烯醇(一種常用在粘合劑和隱形眼鏡中的物質(zhì))制成的納米纖維網(wǎng)格開(kāi)始，用氣相沉積法在這個(gè)網(wǎng)格上添加一個(gè)70到100納米厚的導(dǎo)電金層。為了將電極連接到人的皮膚上，我們需要將電極放置好，然后用水噴灑傳感器，這樣，當(dāng)水溶解了一些納米纖維后，它們便會(huì)具有粘性，使電極可以很輕易地粘附在皮膚上，并與毛孔和指紋紋路那么大的曲線(xiàn)表面保持一致，甚至在被拉伸到其長(zhǎng)度的130%時(shí)也能正常工作。（在關(guān)節(jié)彎曲時(shí)，人的皮膚大概會(huì)被拉伸到130%。）

上 圖片來(lái)源：IEEE

中：圖片來(lái)源：IEEE

下。這種柔性電極從納米纖維網(wǎng)(上)開(kāi)始，作者和他的團(tuán)隊(duì)在上面沉積了一層導(dǎo)電金(下)。在這里，研究人員用它來(lái)監(jiān)測(cè)肌肉活動(dòng);即使用彎曲的手指(中)拉伸，它仍然可以工作----東京大學(xué) 圖片來(lái)源：IEEE  

由于納米網(wǎng)格可以容許水蒸氣的出入，因此，即使被連續(xù)戴在皮膚上一周，這些傳感器也不會(huì)造成任何不適，就好比人們會(huì)經(jīng)常忘記他們還戴著眼鏡?？纱┐麟姌O其實(shí)并不是一個(gè)全新的技術(shù)，近幾年來(lái)一直有人在向運(yùn)動(dòng)員們推銷(xiāo)可穿戴式心電圖監(jiān)測(cè)器，但這些設(shè)備體積龐大，而且不透氣，所以根本不適合長(zhǎng)期使用。

到目前為止，我們已經(jīng)開(kāi)始使用可伸縮電極來(lái)監(jiān)測(cè)肌肉活動(dòng)以記錄肌電，這些伸縮電極的效果和傳統(tǒng)電極一樣優(yōu)秀，所以我們也可以制造其他類(lèi)似的傳感器，比如從胸部或頭部的某個(gè)位置監(jiān)測(cè)心臟或大腦的活動(dòng)。

當(dāng)我們將傳感器連接到顯示器上時(shí)，我們就可以創(chuàng)建出連續(xù)的、易讀取的生物特征信息流。但皮膚顯示器的應(yīng)用范圍不僅僅局限于健康和醫(yī)療，它還提高了信息的易讀性，幫你解放雙手。比如，有了皮膚顯示器以后，人們?cè)僖膊挥迷谧鲲埖臅r(shí)候先把手擦干再去拿手機(jī)看菜譜了，也再也不用在組裝產(chǎn)品的時(shí)候放下手里的工具去看說(shuō)明書(shū)了。

而皮膚顯示器在體育領(lǐng)域的應(yīng)用似乎是無(wú)限的。除了已經(jīng)提到過(guò)的跑步和自行車(chē)以外，跳傘、皮劃艇和滑雪運(yùn)動(dòng)員都可以通過(guò)查看自己皮膚上安裝的顯示器來(lái)查閱頭盔上安裝的動(dòng)作攝像機(jī)的輸出；釣魚(yú)的人也可以不用放下釣竿，也不用冒著把手機(jī)丟進(jìn)齊胸深的河里的風(fēng)險(xiǎn)就能查看探魚(yú)器。

而且，由于皮膚顯示器在受到撞擊時(shí)會(huì)彎曲而不是折斷，所以在有身體接觸的運(yùn)動(dòng)中也很有用。在美國(guó)，每年都會(huì)有大概十幾名足球運(yùn)動(dòng)員死于中暑或心臟病，這類(lèi)疾病在死亡之前都是有征兆的，如果人們可以提前發(fā)現(xiàn)也許就不會(huì)這么多悲劇產(chǎn)生。

我相信，皮膚顯示技術(shù)不僅僅可以用來(lái)傳遞信息，還可以引領(lǐng)我們走進(jìn)一個(gè)更溫和、友善、溫暖的未來(lái)。

最后，讓我們回到開(kāi)頭描述的那位老婦人。晚飯后，她正在客廳休息，由于她一個(gè)人住，她沒(méi)有可以交談的人，只有電視里傳來(lái)的聲音驅(qū)趕著寂靜。她突然注意到她手背上的顯示器閃爍著心形圖案，這是住在遙遠(yuǎn)的城市里的孫子給她發(fā)來(lái)的。雖然這只是一顆小小的紅心，但她覺(jué)得自己仿佛已經(jīng)聽(tīng)到了孫子在對(duì)她說(shuō):“我愛(ài)你，奶奶!”她把另一只手放在顯示器上，撫摸著那顆心，不由微笑起來(lái)。這就是我對(duì)未來(lái)電子產(chǎn)品的期望——不僅能傳輸數(shù)據(jù)，還能傳遞情感。

譯者：扣人心