这种有弹性,薄,明亮,防水的显示器,无需粘合剂就可以贴在皮肤上,在未来几年内将开始出现。它们不仅会出现在老年人的手上和手臂上,也会出现在运动员、旅行者、时髦人士和早期尝试者的手上和手臂上。该设备可以悄悄地更新跑步者和骑车者的心率和水化需求,紫外线照射,甚至显示前方路线的地图。它们也可以被用来在朋友和情人之间传递秘密信息。同时,还甚至可以与他人分享情感暗示,比如焦虑,开心,或是兴奋,一切视环境而定 —— 它或将能够促进友谊,加深交流,或帮助隔离使用。

 

对于老年人或体弱者,显示器可以显示心电图波形,从放置在身体其他部位的无线电极收集数据。他们还可以提醒那些听力不好的人有来电或敲门声。


我们放置这些薄、灵活、可拉伸的显示器的位置不限于皮肤;这些显示将同样容易应用于衣服和其他对象的曲面。它们的颜色、亮度或图案可能会随着你的活动或对周围世界的反应而改变。

 

由于出现了能够扭转、弯曲和伸展的薄而灵活的电路,人们已经尝试将半导体电路粘贴到皮肤上,将其包裹在手、手臂、小腿或躯干的弯曲表面上。第一代这种弹性耐磨材料是测量医院和其他地方生命体征的传感器。而运动饮料公司佳得乐今年早些时候发布了一个灵活的汗液监测补丁。

 

但是为了从这些传感器中获取有用的信息,用户仍然需要拿出智能手机或辅助利用附近的计算机。SmartWatch的目的是使获取这些信息变得不那么麻烦,但有些人觉得其体积过大了,并且这些微小的显示器可能有很难看清。

 

显示器长期以来一直是可穿戴设备发展道路上的一个坑洞,许多研究人员一直试图填补这个坑洞,包括在东京大学工程学院有机晶体管实验室的研究小组。传统的显示技术很难做到灵活。虽然可弯曲的电视和折叠的智能手机终于面世了,但它们的造价非常昂贵。并且,只能朝一个方向滚动或折叠 —— 它们不能扭曲或伸展。

 

现在,真正灵活、明亮的显示器终于接近实现了,随时可以为我们提供所需的信息,使得我们不再需要电话。我(作者,以下简称我)的团队已经开发并演示了这种皮肤显示的几个版本。日本印刷公司(Dai Nippon Printing Co.)正致力于将我们的皮肤显示技术推向市场,很可能在未来三年内实现。

 

并非所有类型的显示器都可以拉伸。例如,在液晶显示器中,光从一组电极后面发出,电极之间有一层液晶。打开和关闭电流会改变液晶的方向,从而改变光的偏振,使其通过偏振滤光片到达观看者,或者被滤光片阻挡。拉伸LCD会改变液晶层的厚度,从而改变晶体的排列。

 

基于有机发光二极管OLED)的的显示器没有这样的限制。这些OLED显示器确实可以打印到薄而灵活的基板上。今天的可滚动显示器利用了这一功能。然而,迄今为止,还没有人将一种可以向多个方向拉伸和弯曲的OLED显示器商业化,尽管据报道三星正在研发一种。在我们的实验室里,我们制作了一个低分辨率OLED显示器的原型。尽管如此,研究人员仍需要相当长的时间才能开发出一种既有弹性又经久耐用的材料,这种材料还可以用来保护设备免受氧气和水蒸气的伤害。


所以我的小组主要研究无机发光二极管的微型发光二极管显示器。我们不是唯一采取这种方法的人。例如,西北大学的Rogers研究小组、荷兰Imec和TNO的一个团队以及芬兰VTT技术研究中心的研究人员也在研究将LED阵列作为可拉伸显示器的一部分。

 

我们最近生产了我们的第二代全彩色皮肤显示器使用商用微型LED。在这些显示器中,1.5平方毫米的封装构成图像元素或像素;每个都包含一个红色、一个绿色和一个蓝色LED。因为这些器件是用标准的半导体制造技术制造的,所以单个的LED和围绕它们的封装都很硬。但是LED很小,我们把它们安装在一块橡胶板上,用可伸缩的电线连接起来,形成了一个非常灵活的显示器。

 

这些微型LED封装以12×12阵列排列。未拉伸的像素封装间距为2.5毫米,因此整个显示屏约为46平方毫米(约1.8平方英寸),厚度仅为2毫米。我们可以自由地弯曲和扭曲它,并将其拉伸到原始长度的130%,将像素之间的距离从2.5毫米扩大到3.25毫米。拉伸会在一定程度上扭曲图片,但文字仍然清晰可辨,而且显示屏已经证明能够抵抗拉伸造成的磨损。

 

为了制作这种可拉伸的显示器,我们从一个非常薄的塑料基板开始。然后我们使用丝网印刷来定义将像素连接到电路中的布线。对于这种布线,我们使用银膏——一种含有银片的树脂。当干燥时,这种银浆是有弹性的,即使在膨胀和收缩时也能导电。

 

印刷完电路后,我们将微型LED芯片焊接到电路板上,使用商业上用于将芯片连接到电路板上的标准表面贴片机。然后,我们将塑料薄膜层压到硅橡胶基底上,硅橡胶基底已经在框架上预拉伸。当我们从框架中取出完整的设备时,现在是一个具有多层的薄板,包括LED封装、银线、薄塑料膜和它扣上的硅酮基底。它是这种皱褶,收缩的形式,适用于某人的皮肤。由于有机硅材料的天然特性,无需粘合剂即可粘合。

 

这就是我们的显示器:微型发光二极管通过印刷银导线连接到预先拉伸的硅酮基板上。现在,我们把电子设备、控制器、无线收音机和电池放在一个单独的硬包装中,通过电线与显示器相连。为了进行测试,我们将柔性显示屏放在用户的手上,并将其他电子产品像手表一样绑在手腕上。显然,在我们的设备商业化之前,我们必须缩小这些外部组件的尺寸,并将它们放入我们的软包装中。这将带来一些挑战。


第一个挑战是如何在没有笨重电池的情况下,一次为这些显示器供电一周或更长时间的续航。研究人员正在努力改进可穿戴设备的电源。可伸缩太阳能电池已经存在,其效率已经达到12%以上,在室外每平方厘米产生约10毫瓦的电能。尽管如此,从它们身上获取足够的电力来驱动显示器仍然是一个巨大的挑战,这肯定涉及到开发比现在可用的电力少得多的显示器控制器和无线收音机。

 

同时,我们希望驱动更多像素。我们知道144像素的数组虽然可以用来显示文本,但并不是最佳的。目前,我们受到商用LED尺寸的限制。幸运的是,微型发光二极管的用途已经超出了皮肤显示,他们的制造商正在努力使它们每年都变小。皮肤显示无疑将受益于这一进展。

 

我们还需要提高耐用性。目前,我们的显示器在机械测试中可以承受10000次拉伸循环。但我们可以想象,对于许多应用程序来说,人们每天大部分时间都会佩戴我们的显示器,而且日复一日。所以我们需要做得更好,比如说,一百万次拉伸循环。我们是怎么得到这个数字的呢?假设一年有525600分钟,然后考虑一个人伸出或弯曲他的手的频率,你就会明白皮肤展示必须是多么持久了。

 

然而,在耐久性和显示在皮肤上的负担程度之间有一个权衡。当我们使用更硬、更耐用的材料时,显示器就变得不那么舒适了。我们需要通过更多的研究来找出耐用性和舒适性之间的最佳点。

 

当然,解决许多可穿戴设备共同面临的广泛问题,包括道德、隐私和医疗器械特有的法规,对于皮肤显示器的未来,尤其是显示生物特征信息的皮肤显示器,也将非常重要。

 

根据我们目前的工作,我们不希望这些困难中有任何一个成为阻碍。相反,我们期望在不久的将来解决其中许多挑战。

 

为了收集数据,我们转向皮肤一致性传感器,能够检测来自心脏、大脑、皮肤、肌肉和其他器官的信号。这些传感器的关键部分是电极。为了制造柔性电极,我们从一种水溶性聚乙烯醇(一种常用于粘合剂和隐形眼镜的物质)制成的纳米纤维网开始。然后我们用气相沉积法在这个网孔上加一层70到100纳米厚的金导电层。为了将这个电极连接到人的皮肤上,我们将它放置好,然后向传感器喷水。水溶解了一些纳米纤维,使它们变得粘稠。然后电极很容易粘附在皮肤上,符合像汗孔或指纹图案的脊线一样小的曲线表面。它甚至在伸展到其长度的130%时也能工作,大约相当于它弯曲时关节皮肤的伸展。

 

因为纳米网允许水蒸气通过,这些传感器是低过敏性的,可以在皮肤上连续佩戴一周而不会感到不适 —— 用户甚至会忽略掉佩戴了它们。可穿戴电极并不是全新的;一段时间以来,可穿戴式心电图监护仪一直面向运动员销售。但这些都是笨重的设备,而且它们根本不透气,使得它们无法长期使用。

 

到目前为止,我们已经使用弹性电极来监测肌电图记录的肌肉活动,它的表现和传统电极一样好。我们同样可以制造传感器,从胸部或头部的某个位置监测心脏或大脑的活动。


当我们将符合皮肤的传感器连接到显示器上时,我们可以创建一个连续的、易于访问的生物特征信息流。但是皮肤展示的应用远远超出了健康和保健的范畴。皮肤显示提高了信息的可访问性,使它们在您双手都很忙并且在活动中时特别有用。例如,你可以一边做饭一边看菜谱,而不用担心像以往要看手机的时候要先洗净擦干双手。

 

在体育运动中的应用似乎是无限的。我已经提到了跑步者和骑行者,对于他们的效果是显而易见的。其他户外爱好者也会发现它的用途。以跳伞者、皮划艇运动员和滑雪者为例,他们可以通过“偷看”手臂或手来检查头盔上摄像机的输出等等。

 

由于皮肤在受到撞击时会弯曲而不是破裂,所以即使在接触运动中,它们也会很有用。不幸的是,每年大约有十几名美国年轻足球运动员死于中暑或心脏病。在许多情况下,在这种致命情况发生之前,该设备都可以检测到这两种情况。

 

最后,我相信皮肤展示可以让我们走向一个温和、善良、传播温暖的未来科技,而不仅仅是获取信息。这是我对电子设备的未来的愿望 —— 它不仅能传输数据,而且能传递感情。