如果可以直接將屏幕粘在皮膚上，那么手機就可以躺在家睡大覺了。

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編者按：智能手表已經成為了人們在健身跑步時的標配，但那小小的一塊屏幕實在是讓人難以看清上面的文字?，F在，科研人員們已經研制出來了可以直接附著在皮膚上的顯示屏，它們可以隨著人的動作和環(huán)境的變化而延展、扭曲，卻并不會對內容的顯示造成影響，繼曲面屏和折疊屏之后，可拉伸顯示屏將會引領可穿戴電子設備走入新的紀元。本文翻譯自IEEE Spectrum，作者高雄染谷，原文標題Skin Displays will Give Wearables Their Independence。

一位獨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，當老人活動手指時，這塊橡皮就隨著老人的動作而伸展、褶皺。

當她伸手去拿茶杯時，這塊橡皮突然亮了起來，上面寫著:“請服用您的降壓藥。”她不禁笑了一下，回想起自己曾經在手機里設置的那一大串沒用的提醒。不過現在，多虧了她手上那張名片大小的貼片，她再也不會忘記吃藥了，而且，她的血壓值會實時顯示在手上的屏幕上，根據測量，她的血壓目前已經穩(wěn)定在了健康范圍內。

在未來的幾年內，富有彈性、薄、透亮還防水的顯示屏會逐漸開始出現，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，還可以戴在運動員、游客和時尚達人的身體上。這些屏幕不僅可以不動聲色地更新跑步運動員和自行車運動員的心率、飲水需求和紫外線暴露數據，它們還可以顯示前方路線的地圖；朋友和情侶之間可以用這塊屏幕來分享秘密；而時尚達人們則可以用這塊屏幕在派對和節(jié)日上互相傳遞信息和數據；甚至，這塊屏幕還可以檢測你的情緒變化，向對方表明你是否對這個話題感興趣，或者是感到焦慮、無聊、興奮。根據你的設置，這塊屏幕不僅可以幫助你和想要交往的人進行深度對話，還可以幫你遠離那些你不想理會的人。

而對于年老體弱的人們來說，這些屏幕可以根據放在身體其他部位的無線電極傳來的數據生成心電圖波形，還可以向有聽力障礙的人提醒電話鈴聲和敲門聲。

雖然可穿戴顯示器的第一個應用可能是交流健康信息，但它擁有著無窮無盡的可能性。----東京大學

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、亮度和圖案可能會隨著主人的活動及周圍環(huán)境的改變而改變。

由于科學家們研制出了能夠扭曲、彎折和拉伸的電路，人們已經開始嘗試把半導體電路貼在皮膚上，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備是在醫(yī)院之類的場景下用于測量生命體征的傳感器，而運動飲料公司佳得樂在今年也發(fā)布了一款可曲折伸縮的用于監(jiān)測出汗情況的貼片。

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

一直以來，顯示屏都是可穿戴設備發(fā)展道路上絆腳石，包括我在東京大學工程學院有機晶體管實驗室的團隊在內的許多研究人員都在努力攻克這個難題。傳統(tǒng)的顯示技術難以滿足對柔性的要求，雖然現在市場上已經出現了可以被卷起來的電視和有折疊屏的手機，但這些設備價格昂貴，而且它們都只能朝一個方向滾動或折疊，并不能實現扭曲及拉伸。

在通往可穿戴設備的道路上，顯示器一直是一個巨大的挑戰(zhàn)。

現在，真正“可彎曲”的顯示屏終于即將問世，使我們即使離開手機也可以隨時讀取所需要的信息。我的團隊已經開發(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推向市場，并預計在未來三年內實現初步市場化。

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，打開和關閉電流會改變液晶的方向，從而改變光的偏振，使光要么通過偏振光濾光片到達觀眾面前，要么被濾光片擋住，但拉伸液晶會改變液晶層的厚度，改變晶體的排列，所以液晶顯示屏不可伸縮。

但基于有機發(fā)光二極管(OLEDs)的顯示器卻沒有這樣的限制。這些OLED顯示器可以被印在薄且可彎曲的基片上，現在大家使用的滾動顯示器就利用了這一功能。到目前為止，可以向多個方向伸展和彎曲的OLED顯示器還沒有被商業(yè)化，不過也有報道稱三星正在研發(fā)一種OLED顯示器，而我們實驗室也研發(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、且可以保護設備不受氧氣和水蒸氣影響的設備，研究人員們還有很長的路要走。

所以我的小組一直在研究無機微型LED。我們并不是唯一進行這項研究的團隊：西北大學的羅杰斯研究小組、來自荷蘭的Imec和TNO團隊、以及芬蘭VTT技術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，并用可拉伸的電線將它們連接起來，這樣的顯示器可以彎曲、扭曲和拉伸到原來長度的130%----DAI NIppON印刷公司 圖片來源：IEEE

我們最近生產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像素，而每個LED包含1個紅色、1個綠色和1個藍色LED。由于這些組件是使用標準的半導體制造技術制造的，所以LED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可以用可伸縮的電線把它們連接起來，這樣就可以實現顯示器的彎折和拉伸。

這些微型LED組件被排列成一個12 × 12的陣列。未拉伸時像素之間的間距為2.5毫米，因此整個顯示屏的面積約為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，甚至被拉伸到原來長度的130%，將像素之間的距離從2.5毫米擴大到3.25毫米。雖然拉伸會使被顯示的內容輕微變形，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，并用絲網印刷技術來規(guī)劃連接像素到電路之間的線路，之后需要使用銀膏（一種含有銀薄片的樹脂）來完成這種布線。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也能導電。

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準表面貼板上。然后，我們將塑料薄膜壓在已被預拉伸過的硅橡膠基板上，現在，這樣一個包含LED封裝、銀線、塑料薄膜和硅基板等多層薄片的設備就可以實現彎曲和拉伸。并且，多虧了有機硅材料的天然特性，這種設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

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

第一個挑戰(zhàn)就是如何在沒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可穿戴設備的電源，可伸縮太陽能電池也已經存在，并且已經達到了12%以上的轉化率，在戶外每平方厘米的接收板能產生約10毫瓦的電，不過這些電量遠遠不足以驅動顯示器，因此，供電依舊是一項巨大的挑戰(zhàn)，為了延長續(xù)航，我們還需要開發(fā)出耗電量遠低于現有顯示器的控制器和無線電系統(tǒng)。

與此同時，我們還需要驅動更多的像素。144個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，不過幸運的是，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)無疑將受益于LED尺寸的進步。

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械測試中承受一萬次的拉伸。但在很多皮膚顯示器的應用場景中，人們需要每天都戴著顯示器，考慮到一年有525600分鐘，再考慮到一個人伸出或彎曲他的手的頻率，一萬次拉伸的耐用度遠遠不夠。因此，我們的顯示器需要達到可承受一百萬次以上拉伸的程度。

然而，顯示器的耐用性和舒適度之間是相互矛盾的。當我們使用更堅硬、更耐用的材料時，顯示器的舒適度必然會下降。因此我們需要進行更多的研究來平衡顯示器的耐用性和舒適度。

還有許多其他可穿戴設備普遍存在的問題，尤其是對于那些將要被用來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)等問題十分重要。

但我們不認為這些困難會成為障礙，用不了多久這些挑戰(zhàn)會被逐個擊破。

皮膚顯示器的價值在于與佩戴者進行數據交流。為了收集這些數據，我們需要使用皮膚傳感器來檢測來自心臟、大腦、皮膚、肌肉和其他器官的信號。

電極是這些傳感器的關鍵。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)制成的納米纖維網格開始，用氣相沉積法在這個網格上添加一個70到100納米厚的導電金層。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，當水溶解了一些納米纖維后，它們便會具有粘性，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表面保持一致，甚至在被拉伸到其長度的130%時也能正常工作。（在關節(jié)彎曲時，人的皮膚大概會被拉伸到130%。）

這種柔性電極從納米纖維網(上)開始，作者和他的團隊在上面沉積了一層導電金(下)。在這里，研究人員用它來監(jiān)測肌肉活動;即使用彎曲的手指(中)拉伸，它仍然可以工作----東京大學

由于納米網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，這些傳感器也不會造成任何不適，就好比人們會經常忘記他們還戴著眼鏡?？纱┐麟姌O其實并不是一個全新的技術，近幾年來一直有人在向運動員們推銷可穿戴式心電圖監(jiān)測器，但這些設備體積龐大，而且不透氣，所以根本不適合長期使用。

到目前為止，我們已經開始使用可伸縮電極來監(jiān)測肌肉活動以記錄肌電，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似的傳感器，比如從胸部或頭部的某個位置監(jiān)測心臟或大腦的活動。

當我們將傳感器連接到顯示器上時，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，人們再也不用在做飯的時候先把手擦干再去拿手機看菜譜了，也再也不用在組裝產品的時候放下手里的工具去看說明書了。

而皮膚顯示器在體育領域的應用似乎是無限的。除了已經提到過的跑步和自行車以外，跳傘、皮劃艇和滑雪運動員都可以通過查看自己皮膚上安裝的顯示器來查閱頭盔上安裝的動作攝像機的輸出；釣魚的人也可以不用放下釣竿，也不用冒著把手機丟進齊胸深的河里的風險就能查看探魚器。

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

我相信，皮膚顯示技術不僅僅可以用來傳遞信息，還可以引領我們走進一個更溫和、友善、溫暖的未來。

最后，讓我們回到開頭描述的那位老婦人。晚飯后，她正在客廳休息，由于她一個人住，她沒有可以交談的人，只有電視里傳來的聲音驅趕著寂靜。她突然注意到她手背上的顯示器閃爍著心形圖案，這是住在遙遠的城市里的孫子給她發(fā)來的。雖然這只是一顆小小的紅心，但她覺得自己仿佛已經聽到了孫子在對她說:“我愛你，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。這就是我對未來電子產品的期望——不僅能傳輸數據，還能傳遞情感。

譯者：扣人心