直接附著在皮膚上的顯示螢幕是可穿戴電子設備的未來

 

 

一位獨居在小山村裡的老婦人在吃完午餐後想要放鬆一下，她的手背上黏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裡設定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，她的血壓值會即時顯示在手上的螢幕上，根據測量，她的血壓目前已經穩定在了健康範圍內。 

在未來的幾年內，富有彈性、薄、透亮還防水的顯示螢幕會逐漸開始出現，這些顯示螢幕不需要黏合劑就能黏在皮膚上，它們不僅僅可以黏在老人們的手上和胳膊上，還可以戴在運動員、遊客和時尚達人的身體上。這些螢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資料，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螢幕來分享秘密；而時尚達人們則可以用這塊螢幕在派對和節日上互相傳遞資訊和資料；甚至，這塊螢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，這塊螢幕不僅可以説明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。 

而對於年老體弱的人們來說，這些螢幕可以根據放在身體其他部位的無線電極傳來的資料產生心電圖波形，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資訊，但它擁有著無窮無盡的可能性。圖片來源：IEEE這些薄的、靈活的、可伸縮的顯示螢幕不僅可以被黏在皮膚上；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境的改變而改變。 

由於科學家們研製出了能夠扭曲、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院之類的場景下用於測量生命體征的感測器，而運動飲料公司開特力在今年也發布了一款可曲折伸縮的用於監測出汗情況的貼片。 

但要從這些感測器讀取資訊，使用者仍需查看手機和電腦。智慧型手錶被研發出來的目的就是讓資訊的讀取變得更輕鬆簡單，但有些人依然覺得它們很笨重，而且智慧型手錶那微小的顯示螢幕確實很費眼睛。 

一直以來，顯示螢幕都是可穿戴設備發展道路上絆腳石，包括我在東京大學工程學院有機電晶體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捲起來的電視和有折疊螢幕的手機，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，並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。 

現在，真正「可彎曲」的顯示螢幕終於即將問世，使我們即使離開手機也可以隨時讀取所需要的資訊。我的團隊已經開發並展示了幾種不同版本的皮膚顯示螢幕，而Dai Nippon也正努力地將我們的皮膚顯示螢幕技術推向市場，並預計在未來三年內實現初步市場化。 

並不是所有的顯示螢幕都可以伸縮。比如，在液晶顯示螢幕中，光從一組電極後面發出，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，使光要嘛通過偏振光濾光片到達觀眾面前，要嘛被濾光片擋住，但拉伸液晶會改變液晶層的厚度，改變晶體的排列，所以液晶顯示螢幕不可伸縮。 

但基於有機發光二極體（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化，不過也有報導稱三星正在研發一種OLED顯示器，而我們實驗室也研發出了一款低解析度OLED顯示器原型。儘管如此，要研發出有彈性、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。我們並不是唯一進行這項研究的團隊：西北大學的羅傑斯研究小組、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。

▲ 將傳統的微型LED安裝在一塊橡膠板上，並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%。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平方公釐的元件就組成一個圖元，而每個LED包含1個紅色、1個綠色和1個藍色LED。由於這些元件是使用標準的半導體製造技術製造的，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，這樣就可以做到顯示器的彎折和拉伸。 

這些微型LED元件被排列成一個12 × 12的陣列。未拉伸時圖元之間的間距為2.5公釐，因此整個顯示螢幕的面積約為46平方公釐（約1.8平方英寸），而厚度僅為2公釐，可以被自由地扭曲，甚至被拉伸到原來長度的130%，將圖元之間的距離從2.5公釐擴大到3.25公釐。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。 

為了製作這種可伸縮顯示器，我們需要用到非常薄的塑膠基板，並用絲網印刷技術來規劃連接圖元到電路之間的線路，之後需要使用銀膏（一種含有銀薄片的樹脂）來完成這種佈線。這種銀膏在乾燥狀態下十分具有彈性，即使在膨脹和收縮時也能導電。 

在列印出電路後，我們將微型LED晶片焊接到在商業上用於連接晶片和電路板的標準表面貼板上。然後，我們將塑膠薄膜壓在已被預拉伸過的矽橡膠基板上，現在，這樣一個包含LED封裝、銀線、塑膠薄膜和矽基板等多層薄片的設備就可以實現彎曲和拉伸。並且，多虧了有機矽材料的天然特性，這種設備可以不需要黏合劑就能以這種皺巴巴的、收縮的形式被塗抹在人的皮膚上。 

▲ 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。圖片來源：IEEE

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矽基板上的微型發光二極體。我們可以把控制器、無線電設備和電池等電子元件放在一個單獨的硬包裝中，並透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螢幕放在使用者的手上，然後把其他的電子元件像手錶一樣綁在使用者的手腕上。顯然，在我們的設備進行商業化之前，我們必須減少其他外部元件的尺寸，並想辦法對他們也進行柔性處理，這給柔性顯示器的研發帶來了許多其他的挑戰。 

第一個挑戰就是如何在沒有笨重的電池的情況下使顯示器續航至少一周以上。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，並且已經達到了12%以上的轉化率，在戶外每平方公分的接收板能產生約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，為了延長續航，我們還需要開發出耗電量遠低於現有顯示器的控制器和無線電系統。 

與此同時，我們還需要驅動更多的圖元。144個圖元雖然足夠顯示文本，但效果並不是最佳的。就目前而言，我們受到了商業LED尺寸的限制，不過幸運的是，微型LED的用途不僅僅局限於可延展顯示器的研發，因此製造商們每年都在努力縮小LED的尺寸，皮膚顯示器的研發無疑將受益於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，尤其是對於那些將要被用來顯示生物特徵資訊的顯示器而言，道德、隱私和醫療器械法規等問題十分重要。 

但我們不認為這些困難會成為障礙，用不了多久這些挑戰會被逐個擊破。 

皮膚顯示器的價值在於與佩戴者進行資料交流。為了收集這些資料，我們需要使用皮膚感測器來檢測來自心臟、大腦、皮膚、肌肉和其他器官的訊號。 

電極是這些感測器的關鍵。為了製造柔性電極，我們從水溶性聚乙烯醇（一種常用在黏合劑和隱形眼鏡中的物質）製成的奈米纖維網格開始，用氣相沉積法在這個網格上添加一個70到100奈米厚的導電金層。為了將電極連接到人的皮膚上，我們需要將電極放置好，然後用水噴灑感測器，這樣，當水溶解了一些奈米纖維後，它們便會具有黏性，使電極可以很輕易地黏附在皮膚上，並與毛孔和指紋紋路那麼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。（在關節彎曲時，人的皮膚大概會被拉伸到130%。） 

▲ 這種柔性電極從奈米纖維網（上）開始，作者和他的團隊在上面沉積了一層導電金（下）。在這裡，研究人員用它來監測肌肉活動；即使用彎曲的手指（中）拉伸，它仍然可以工作。圖片來源：IEEE由於奈米網格可以容許水蒸氣的出入，因此，即使被連續戴在皮膚上一周，這些感測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。可穿戴電極其實並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測肌肉活動以記錄肌電，這些伸縮電極的效果和傳統電極一樣優秀，所以我們也可以製造其他類似的感測器，比如從胸部或頭部的某個位置監測心臟或大腦的活動。 

當我們將感測器連接到顯示器上時，我們就可以創建出連續的、易讀取的生物特徵資訊流。但皮膚顯示器的應用範圍不僅僅局限於健康和醫療，它還提高了資訊的易讀性，幫你解放雙手。比如，有了皮膚顯示器以後，人們再也不用在做飯的時候先把手擦乾再去拿手機看食譜了，也再也不用在組裝產品的時候放下手裡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、皮划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裡的風險就能查看探魚器。 

而且，由於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於中暑或心臟病，這類疾病在死亡之前都是有徵兆的，如果人們可以提前發現也許就不會這麼多悲劇產生。 

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

最後，讓我們回到開頭描述的那位老婦人。晚飯後，她正在客廳休息，由於她一個人住，她沒有可以交談的人，只有電視裡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裡的孫子發給她的。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！」她把另一隻手放在顯示器上，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——不僅能傳輸資料，還能傳遞情感。

• 資料來源：Skin Displays will Give Wearables Their Independence