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可穿戴电子设备的未来：皮肤显示屏

晰数塔互联网快讯
2021-10-09 15:55

神译局是36氪旗下编译团队，关注科技、商业、职场、生活等新领域，重点介绍国外的新技术、新观点、新风向。

编者按：智能手表已经成为了人们在健身跑步时的标配，但那小小的一块屏幕实在是让人难以看清上面的文字。现在，科研人员们已经研制出来了可以直接附着在皮肤上的显示屏，它们可以随着人的动作和环境的变化而延展、扭曲，却并不会对内容的显示造成影响，继曲面屏和折叠屏之后，可拉伸显示屏将会引领可穿戴电子设备走入新的纪元。本文翻译自IEEE Spectrum，作者高雄染谷，原文标题Skin Displays will Give Wearables Their Independence。

一位独居在小山村里的老妇人在吃完午餐后想要放松一下，她的手背上粘着一块正方形的宛如膏药一样的薄橡皮，当老人活动手指时，这块橡皮就随着老人的动作而伸展、褶皱。

当她伸手去拿茶杯时，这块橡皮突然亮了起来，上面写着:“请服用您的降压药。”她不禁笑了一下，回想起自己曾经在手机里设置的那一大串没用的提醒。不过现在，多亏了她手上那张名片大小的贴片，她再也不会忘记吃药了，而且，她的血压值会实时显示在手上的屏幕上，根据测量，她的血压目前已经稳定在了健康范围内。

在未来的几年内，富有弹性、薄、透亮还防水的显示屏会逐渐开始出现，这些显示屏不需要粘合剂就能粘在皮肤上，它们不仅仅可以粘在老人们的手上和胳膊上，还可以戴在运动员、游客和时尚达人的身体上。这些屏幕不仅可以不动声色地更新跑步运动员和自行车运动员的心率、饮水需求和紫外线暴露数据，它们还可以显示前方路线的地图；朋友和情侣之间可以用这块屏幕来分享秘密；而时尚达人们则可以用这块屏幕在派对和节日上互相传递信息和数据；甚至，这块屏幕还可以检测你的情绪变化，向对方表明你是否对这个话题感兴趣，或者是感到焦虑、无聊、兴奋。根据你的设置，这块屏幕不仅可以帮助你和想要交往的人进行深度对话，还可以帮你远离那些你不想理会的人。

而对于年老体弱的人们来说，这些屏幕可以根据放在身体其他部位的无线电极传来的数据生成心电图波形，还可以向有听力障碍的人提醒电话铃声和敲门声。

虽然可穿戴显示器的第一个应用可能是交流健康信息，但它拥有着无穷无尽的可能性。----东京大学图片来源：IEEE

这些薄的、灵活的、可伸缩的显示屏不仅可以被粘在皮肤上;还可以被应用在衣服和其他物体的曲面上，它们的颜色、亮度和图案可能会随着主人的活动及周围环境的改变而改变。

由于科学家们研制出了能够扭曲、弯折和拉伸的电路，人们已经开始尝试把半导体电路贴在皮肤上，或者把它们缠绕在手、手臂、小腿或其他弯曲的躯体表面上。第一代可伸缩的穿戴设备是在医院之类的场景下用于测量生命体征的传感器，而运动饮料公司佳得乐在今年也发布了一款可曲折伸缩的用于监测出汗情况的贴片。

但要从这些传感器读取信息，用户仍需查看手机和电脑。智能手表被研发出来的目的就是让信息的读取变得更轻松简单，但有些人依然觉得它们很笨重，而且智能手表那微小的显示屏确实很费眼睛。

一直以来，显示屏都是可穿戴设备发展道路上绊脚石，包括我在东京大学工程学院有机晶体管实验室的团队在内的许多研究人员都在努力攻克这个难题。传统的显示技术难以满足对柔性的要求，虽然现在市场上已经出现了可以被卷起来的电视和有折叠屏的手机，但这些设备价格昂贵，而且它们都只能朝一个方向滚动或折叠，并不能实现扭曲及拉伸。

在通往可穿戴设备的道路上，显示器一直是一个巨大的挑战。

现在，真正“可弯曲”的显示屏终于即将问世，使我们即使离开手机也可以随时读取所需要的信息。我的团队已经开发并展示了几种不同版本的皮肤显示屏，而Dai Nippon也正努力地将我们的皮肤显示屏技术推向市场，并预计在未来三年内实现初步市场化。

并不是所有的显示屏都可以伸缩。比如，在液晶显示屏中，光从一组电极后面发出，而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，使光要么通过偏振光滤光片到达观众面前，要么被滤光片挡住，但拉伸液晶会改变液晶层的厚度，改变晶体的排列，所以液晶显示屏不可伸缩。

但基于有机发光二极管(OLEDs)的显示器却没有这样的限制。这些OLED显示器可以被印在薄且可弯曲的基片上，现在大家使用的滚动显示器就利用了这一功能。到目前为止，可以向多个方向伸展和弯曲的OLED显示器还没有被商业化，不过也有报道称三星正在研发一种OLED显示器，而我们实验室也研发出了一款低分辨率OLED显示器原型。尽管如此，要研发出有弹性、持久耐用、且可以保护设备不受氧气和水蒸气影响的设备，研究人员们还有很长的路要走。

所以我的小组一直在研究无机微型LED。我们并不是唯一进行这项研究的团队：西北大学的罗杰斯研究小组、来自荷兰的Imec和TNO团队、以及芬兰VTT技术研究中心的研究人员也在研究如何使用LED阵列作为可伸缩显示器的一部分。

将传统的微型LED安装在一块橡胶板上，并用可拉伸的电线将它们连接起来，这样的显示器可以弯曲、扭曲和拉伸到原来长度的130%----DAI NIPPON印刷公司图片来源：IEEE

我们最近生产了第二代全彩皮肤显示器，使用的是商用的微型LED。在这些显示器中，每1.5平方毫米的组件就组成一个像素，而每个LED包含1个红色、1个绿色和1个蓝色LED。由于这些组件是使用标准的半导体制造技术制造的，所以LED本身和围绕它们的封装都很硬。好在LED的体积很小，所以被安装在橡胶片上时可以用可伸缩的电线把它们连接起来，这样就可以实现显示器的弯折和拉伸。

这些微型LED组件被排列成一个12 × 12的阵列。未拉伸时像素之间的间距为2.5毫米，因此整个显示屏的面积约为46平方毫米(约1.8平方英寸)，而厚度仅为2毫米，可以被自由地扭曲，甚至被拉伸到原来长度的130%，将像素之间的距离从2.5毫米扩大到3.25毫米。虽然拉伸会使被显示的内容轻微变形，但文字仍然清晰可辨，而且这款显示器已被证明可以抵抗拉伸带来的磨损。

为了制作这种可伸缩显示器，我们需要用到非常薄的塑料基板，并用丝网印刷技术来规划连接像素到电路之间的线路，之后需要使用银膏（一种含有银薄片的树脂）来完成这种布线。这种银膏在干燥状态下十分具有弹性，即使在膨胀和收缩时也能导电。

在打印出电路后，我们将微型LED芯片焊接到在商业上用于连接芯片和电路板的标准表面贴板上。然后，我们将塑料薄膜压在已被预拉伸过的硅橡胶基板上，现在，这样一个包含LED封装、银线、塑料薄膜和硅基板等多层薄片的设备就可以实现弯曲和拉伸。并且，多亏了有机硅材料的天然特性，这种设备可以不需要粘合剂就能以这种皱巴巴的、收缩的形式被涂抹在人的皮肤上。

东京大学教授高雄染谷（本文作者）希望皮肤显示器能让家人们安静地交流彼此的感受----东京大学图片来源：IEEE

我们的显示器本质上就是由被印刷的银线连接在预拉伸的硅基板上的微型发光二极管。我们可以把控制器、无线电设备和电池等电子组件放在一个单独的硬包装中，并通过电线与显示器进行连接。在目前的测试阶段，我们只能把柔性显示屏放在用户的手上，然后把其他的电子组件像手表一样绑在用户的手腕上。显然，在我们的设备进行商业化之前，我们必须减少其他外部组件的尺寸，并想办法对他们也进行柔性处理，这给柔性显示器的研发带来了许多其他的挑战。

第一个挑战就是如何在没有笨重的电池的情况下使显示器续航至少一周以上。研究人员正在努力改进可穿戴设备的电源，可伸缩太阳能电池也已经存在，并且已经达到了12%以上的转化率，在户外每平方厘米的接收板能产生约10毫瓦的电，不过这些电量远远不足以驱动显示器，因此，供电依旧是一项巨大的挑战，为了延长续航，我们还需要开发出耗电量远低于现有显示器的控制器和无线电系统。

与此同时，我们还需要驱动更多的像素。144个像素虽然足够显示文本，但效果并不是最佳的。就目前而言，我们受到了商业LED尺寸的限制，不过幸运的是，微型LED的用途不仅仅局限于可延展显示器的研发，因此制造商们每年都在努力缩小LED的尺寸，皮肤显示器的研发无疑将受益于LED尺寸的进步。

我们还需要提高显示器的耐用性。目前，我们的显示器可以在机械测试中承受一万次的拉伸。但在很多皮肤显示器的应用场景中，人们需要每天都戴着显示器，考虑到一年有525600分钟，再考虑到一个人伸出或弯曲他的手的频率，一万次拉伸的耐用度远远不够。因此，我们的显示器需要达到可承受一百万次以上拉伸的程度。

然而，显示器的耐用性和舒适度之间是相互矛盾的。当我们使用更坚硬、更耐用的材料时，显示器的舒适度必然会下降。因此我们需要进行更多的研究来平衡显示器的耐用性和舒适度。

还有许多其他可穿戴设备普遍存在的问题，尤其是对于那些将要被用来显示生物特征信息的显示器而言，道德、隐私和医疗器械法规等问题十分重要。

但我们不认为这些困难会成为障碍，用不了多久这些挑战会被逐个击破。

皮肤显示器的价值在于与佩戴者进行数据交流。为了收集这些数据，我们需要使用皮肤传感器来检测来自心脏、大脑、皮肤、肌肉和其他器官的信号。

电极是这些传感器的关键。为了制造柔性电极，我们从水溶性聚乙烯醇(一种常用在粘合剂和隐形眼镜中的物质)制成的纳米纤维网格开始，用气相沉积法在这个网格上添加一个70到100纳米厚的导电金层。为了将电极连接到人的皮肤上，我们需要将电极放置好，然后用水喷洒传感器，这样，当水溶解了一些纳米纤维后，它们便会具有粘性，使电极可以很轻易地粘附在皮肤上，并与毛孔和指纹纹路那么大的曲线表面保持一致，甚至在被拉伸到其长度的130%时也能正常工作。（在关节弯曲时，人的皮肤大概会被拉伸到130%。）

上图片来源：IEEE

中：图片来源：IEEE

下。这种柔性电极从纳米纤维网(上)开始，作者和他的团队在上面沉积了一层导电金(下)。在这里，研究人员用它来监测肌肉活动;即使用弯曲的手指(中)拉伸，它仍然可以工作----东京大学图片来源：IEEE

由于纳米网格可以容许水蒸气的出入，因此，即使被连续戴在皮肤上一周，这些传感器也不会造成任何不适，就好比人们会经常忘记他们还戴着眼镜。可穿戴电极其实并不是一个全新的技术，近几年来一直有人在向运动员们推销可穿戴式心电图监测器，但这些设备体积庞大，而且不透气，所以根本不适合长期使用。

到目前为止，我们已经开始使用可伸缩电极来监测肌肉活动以记录肌电，这些伸缩电极的效果和传统电极一样优秀，所以我们也可以制造其他类似的传感器，比如从胸部或头部的某个位置监测心脏或大脑的活动。

当我们将传感器连接到显示器上时，我们就可以创建出连续的、易读取的生物特征信息流。但皮肤显示器的应用范围不仅仅局限于健康和医疗，它还提高了信息的易读性，帮你解放双手。比如，有了皮肤显示器以后，人们再也不用在做饭的时候先把手擦干再去拿手机看菜谱了，也再也不用在组装产品的时候放下手里的工具去看说明书了。

而皮肤显示器在体育领域的应用似乎是无限的。除了已经提到过的跑步和自行车以外，跳伞、皮划艇和滑雪运动员都可以通过查看自己皮肤上安装的显示器来查阅头盔上安装的动作摄像机的输出；钓鱼的人也可以不用放下钓竿，也不用冒着把手机丢进齐胸深的河里的风险就能查看探鱼器。

而且，由于皮肤显示器在受到撞击时会弯曲而不是折断，所以在有身体接触的运动中也很有用。在美国，每年都会有大概十几名足球运动员死于中暑或心脏病，这类疾病在死亡之前都是有征兆的，如果人们可以提前发现也许就不会这么多悲剧产生。

我相信，皮肤显示技术不仅仅可以用来传递信息，还可以引领我们走进一个更温和、友善、温暖的未来。

最后，让我们回到开头描述的那位老妇人。晚饭后，她正在客厅休息，由于她一个人住，她没有可以交谈的人，只有电视里传来的声音驱赶着寂静。她突然注意到她手背上的显示器闪烁着心形图案，这是住在遥远的城市里的孙子给她发来的。虽然这只是一颗小小的红心，但她觉得自己仿佛已经听到了孙子在对她说:“我爱你，奶奶!”她把另一只手放在显示器上，抚摸着那颗心，不由微笑起来。这就是我对未来电子产品的期望——不仅能传输数据，还能传递情感。

译者：扣人心