Nature:鮑哲南團(tuán)隊研發(fā)新型可穿戴顯示器,電子皮膚時代加速到來
如果在不久的將來,你的智能手機(jī)、家中的 75 英寸電視或者其他電子產(chǎn)品,都因可以被任意彎曲或折疊而具備各種充滿想象力的新功能,會是一種怎樣的體驗?
想象一下,此時在你的面前,有一個可以任意變形的交互式屏幕,屏幕的顯示內(nèi)容與呈現(xiàn)形式可以根據(jù)你們的即時交互內(nèi)容而實時變化,甚至讓你有一種沉浸式的感官體驗。
不可否認(rèn)的是,這種人機(jī)交互方式,有點腦洞大開、前所未有。
事實上,我們身邊的手機(jī)、電視等電子設(shè)備的屏幕,依然是扁平的、僵硬的和易碎的,缺乏與用戶進(jìn)行交互響應(yīng)的重塑能力。
如今,來自斯坦福大學(xué)、天津大學(xué)的研究團(tuán)隊及其合作者,或許可以將人機(jī)交互方式變得更加充滿想象。
研究團(tuán)隊設(shè)計了一種極富彈性的可穿戴顯示器——可拉伸全聚合物發(fā)光二極管(APLED),APLED 具有很好的明亮度和耐用性,顯示器的最大亮度至少是手機(jī)的兩倍,在拉伸至原有長度兩倍時仍能正常工作。
圖|APLED 可以伸展至 2 倍長而不會損壞撕裂(素材來源:YouTube)
這種全聚合物薄膜可以粘在手臂或手指上,在彎曲或彎曲時不會撕裂,這將使可穿戴顯示器直接附著在皮膚上。
這一設(shè)計或標(biāo)志著高性能可拉伸顯示器的重要進(jìn)展,為電子皮膚和人-電子應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
相關(guān)研究論文以“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution”為題,已發(fā)表在權(quán)威科學(xué)期刊 Nature 上。
論文通訊作者、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系教授鮑哲南表示,APLED 具備可拉伸顯示器的多種其他潛在用途,比如可以用來制作可變形的交互式屏幕,甚至可以在地圖上形成三維景觀等。
“想象一個顯示器,你可以在屏幕上看到和感覺到三維物體,”鮑哲南說,“這將是一種全新的遠(yuǎn)程互動方式?!?br />
魚和熊掌,可兼得
如今,越來越多的可穿戴電子產(chǎn)品,比如生物傳感器、智能手表、柔性發(fā)光器件、柔性顯示器和電子皮膚等,開始出現(xiàn)在我們的日常生活中。
它們體積輕巧、佩戴方便,具備成像、治療、對身體健康指標(biāo)和疾病進(jìn)行早期監(jiān)測等多種功能。
但是,這些可穿戴電子產(chǎn)品也存在一些非常明顯的缺點。
例如,貼合在皮膚上的理想發(fā)光二極管(LED)顯示器需要摸起來柔軟,可拉伸且明亮度好,但目前的可拉伸發(fā)光裝置大部分是用無機(jī)材料制成的,盡管科學(xué)家可以通過添加橡膠等彈性絕緣材料來增加它們的彈性,但這些添加劑也會同時降低它們的導(dǎo)電性,二者不可兼得。
因此,如何解決這一問題,是近年來全球科學(xué)家們都在廣泛關(guān)注的熱點。
在大約三年前,論文的共同一作、鮑哲南團(tuán)隊的博士后學(xué)者張智濤恰好發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“SuperYellow”的黃色發(fā)光聚合物,這種聚合物的功能就像燈泡中的燈絲,當(dāng)與一種聚氨酯(一種有彈性的塑料)混合時,不僅會變得柔軟柔韌,還能發(fā)出更亮的光。
“如果我們加入聚氨酯,我們會看到 SuperYellow 形成納米結(jié)構(gòu),”張智濤說,“這些納米結(jié)構(gòu)非常重要,它們像魚網(wǎng)一樣連接在一起,使脆性聚合物變得可拉伸、發(fā)出更亮的光。”
圖|APLED 隨手指彎曲而被拉伸(來源:Nature)
與添加橡膠不同的是,使 SuperYellow 具有彈性的納米纖維網(wǎng)不會阻礙電流——這是開發(fā)一種明亮顯示器的關(guān)鍵。
也正是基于此,研究團(tuán)隊完成了 APLED 的設(shè)計和制作流程。
在這一發(fā)現(xiàn)之后,該團(tuán)隊還創(chuàng)造了有彈性的紅色、綠色和藍(lán)色發(fā)光聚合物。
有了可拉伸的發(fā)光聚合物,研究小組需要將電子顯示屏的其余部分組合在一起。
“找到合適的材料非常具有挑戰(zhàn)性。在電子學(xué)方面,它們必須相互匹配,才能顯示出高亮度。但是,這些材料也需要有同樣好的機(jī)械性能,來保證顯示器可拉伸。” 鮑哲南解釋道。
因此,研究人員必須找到一種方法,即使將多種材料堆疊在一起,也不會降低顯示器的亮度。
顯示器的最終設(shè)計包含 7 層:兩個外層是封裝設(shè)備的基板,向內(nèi)是兩個電極層,每個電極層后是電荷傳輸層,發(fā)光層被夾在中間。
圖|APLED 結(jié)構(gòu)示意圖(來源:Nature)
當(dāng)電流通過顯示器時,一個電極向發(fā)光層注入正電荷,而另一個電極向發(fā)光層注入帶負(fù)電荷的點子。當(dāng)這兩種電荷相遇后,它們會相互作用并進(jìn)入能量激發(fā)態(tài),緊接著就會產(chǎn)生一個光子,多個光子聚集成明亮的光。
此外,為了使得 APLED 可以貼在人體皮膚上進(jìn)行長時間工作,研究團(tuán)隊還使用了一種靈活的無線能量采集系統(tǒng),通過無線電波為 APLED 供電,并證明了 APLED 能夠跟上心跳節(jié)拍,實時顯示脈搏信號。
電子皮膚:可穿戴設(shè)備的終極形態(tài)
在古代亞洲和歐洲,“割肉補(bǔ)瘡”有著近 2500 年的歷史,只不過考慮到當(dāng)時的醫(yī)療和麻醉水平,這似乎更像是一種“酷刑”。
而對皮膚組織的不可修復(fù)性損壞,考慮到身體排斥性反應(yīng),植皮幾乎是唯一選擇。
現(xiàn)代植皮手術(shù)最早出現(xiàn)在 19 世紀(jì)末。醫(yī)生主要靠切取患者自身或他人皮膚進(jìn)行移植修復(fù),這一過程非常疼痛,而且大面積皮膚損傷患者的植皮來源也是問題。
基于以上原因,超仿真電子皮膚模型應(yīng)運(yùn)而生。
電子皮膚模擬、還原甚至取代機(jī)體皮膚,需要具備感覺和觸覺,即與人體皮膚一樣感知不同外界壓力、暢通傳導(dǎo)觸覺信號的最基本功能。
但電子皮膚的應(yīng)用絕不局限在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,比如還可以應(yīng)用在智能機(jī)器人領(lǐng)域,幫助機(jī)器人敏感獲知環(huán)境信息,同時賦予其機(jī)械靈活性。
而在可穿戴電子產(chǎn)品方面,電子皮膚被認(rèn)為是可穿戴設(shè)備的終極形態(tài)。
作為一種可嵌入或覆蓋人體的設(shè)備,電子皮膚或?qū)⑹侨梭w健康最好的風(fēng)向標(biāo)。
2020 年,來自科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員,就開發(fā)了一種“真正可穿戴”的電子設(shè)備。這種可穿戴設(shè)備不僅可以執(zhí)行一系列感官任務(wù)(比如測量體溫或追蹤日常步數(shù)),還可以進(jìn)行自我修復(fù)。更重要的是,這款可穿戴設(shè)備可以被設(shè)計成適合人們身體任何部位的形狀。
2021 年,來自南方科技大學(xué)、首都醫(yī)科大學(xué)和中國科學(xué)院大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊,也開發(fā)了一種集成多層電路的電子紋身,這種電子紋身兼具高延展性(8 倍)、保形性和粘性等優(yōu)點,可以嵌入手指皺褶和指紋等一些皮膚上細(xì)小的特征中,能夠牢固地附著在皮膚上,且在皮膚表面經(jīng)反復(fù)變形后也不會脫落。
那么,未來的電子皮膚會是怎樣的?
早在 2020 騰訊科學(xué) WE 大會上,鮑哲南在主題演講中就大膽暢想了一番:未來的電子工業(yè)將會有一個巨大的改變,人類將通過電子皮膚進(jìn)行溝通,手機(jī)功能也可能融入衣服甚至植入體內(nèi)。
參考資料:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04400-1
https://www.youtube.com/watch?v=6MFb-XwTFuQ&ab_channel=NPGPress
http://baogroup.stanford.edu/
https://www.eurekalert.org/news-releases/947103
https://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_skin
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