Nature：鲍哲南团队研发新型可穿戴显示器，电子皮肤时代加速到来

撰文：杨逍

图｜一种可以佩戴在人体指关节上的弹性发光材料（来源：斯坦福大学）

如果在不久的将来，你的智能手机、家中的 75 英寸电视或者其他电子产品，都因可以被任意弯曲或折叠而具备各种充满想象力的新功能，会是一种怎样的体验？

想象一下，此时在你的面前，有一个可以任意变形的交互式屏幕，屏幕的显示内容与呈现形式可以根据你们的即时交互内容而实时变化，甚至让你有一种沉浸式的感官体验。

不可否认的是，这种人机交互方式，有点脑洞大开、前所未有。

事实上，我们身边的手机、电视等电子设备的屏幕，依然是扁平的、僵硬的和易碎的，缺乏与用户进行交互响应的重塑能力。

如今，来自斯坦福大学、天津大学的研究团队及其合作者，或许可以将人机交互方式变得更加充满想象。

研究团队设计了一种极富弹性的可穿戴显示器——可拉伸全聚合物发光二极管（APLED），APLED 具有很好的明亮度和耐用性，显示器的最大亮度至少是手机的两倍，在拉伸至原有长度两倍时仍能正常工作。

图｜APLED 可以伸展至 2 倍长而不会损坏撕裂（素材来源：YouTube）

这种全聚合物薄膜可以粘在手臂或手指上，在弯曲或弯曲时不会撕裂，这将使可穿戴显示器直接附着在皮肤上。

这一设计或标志着高性能可拉伸显示器的重要进展，为电子皮肤和人-电子应用奠定基础。

相关研究论文以“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution”为题，已发表在权威科学期刊Nature上。

（来源：Nature）

论文通讯作者、斯坦福大学化学工程系教授鲍哲南表示，APLED 具备可拉伸显示器的多种其他潜在用途，比如可以用来制作可变形的交互式屏幕，甚至可以在地图上形成三维景观等。

“想象一个显示器，你可以在屏幕上看到和感觉到三维物体，”鲍哲南说，“这将是一种全新的远程互动方式。”

鱼和熊掌，可兼得

如今，越来越多的可穿戴电子产品，比如生物传感器、智能手表、柔性发光器件、柔性显示器和电子皮肤等，开始出现在我们的日常生活中。

它们体积轻巧、佩戴方便，具备成像、治疗、对身体健康指标和疾病进行早期监测等多种功能。

但是，这些可穿戴电子产品也存在一些非常明显的缺点。

例如，贴合在皮肤上的理想发光二极管（LED）显示器需要摸起来柔软，可拉伸且明亮度好，但目前的可拉伸发光装置大部分是用无机材料制成的，尽管科学家可以通过添加橡胶等弹性绝缘材料来增加它们的弹性，但这些添加剂也会同时降低它们的导电性，二者不可兼得。

因此，如何解决这一问题，是近年来全球科学家们都在广泛关注的热点。

在大约三年前，论文的共同一作、鲍哲南团队的博士后学者张智涛恰好发现了一种被称为“SuperYellow”的黄色发光聚合物，这种聚合物的功能就像灯泡中的灯丝，当与一种聚氨酯（一种有弹性的塑料）混合时，不仅会变得柔软柔韧，还能发出更亮的光。

“如果我们加入聚氨酯，我们会看到 SuperYellow 形成纳米结构，”张智涛说，“这些纳米结构非常重要，它们像鱼网一样连接在一起，使脆性聚合物变得可拉伸、发出更亮的光。”

图｜APLED 随手指弯曲而被拉伸（来源：Nature）

与添加橡胶不同的是，使 SuperYellow 具有弹性的纳米纤维网不会阻碍电流——这是开发一种明亮显示器的关键。

也正是基于此，研究团队完成了 APLED 的设计和制作流程。

在这一发现之后，该团队还创造了有弹性的红色、绿色和蓝色发光聚合物。

有了可拉伸的发光聚合物，研究小组需要将电子显示屏的其余部分组合在一起。

“找到合适的材料非常具有挑战性。在电子学方面，它们必须相互匹配，才能显示出高亮度。但是，这些材料也需要有同样好的机械性能，来保证显示器可拉伸。” 鲍哲南解释道。

因此，研究人员必须找到一种方法，即使将多种材料堆叠在一起，也不会降低显示器的亮度。

显示器的最终设计包含 7 层：两个外层是封装设备的基板，向内是两个电极层，每个电极层后是电荷传输层，发光层被夹在中间。

图｜APLED 结构示意图（来源：Nature）

当电流通过显示器时，一个电极向发光层注入正电荷，而另一个电极向发光层注入带负电荷的点子。当这两种电荷相遇后，它们会相互作用并进入能量激发态，紧接着就会产生一个光子，多个光子聚集成明亮的光。

此外，为了使得 APLED 可以贴在人体皮肤上进行长时间工作，研究团队还使用了一种灵活的无线能量采集系统，通过无线电波为 APLED 供电，并证明了 APLED 能够跟上心跳节拍，实时显示脉搏信号。

电子皮肤：可穿戴设备的终极形态

在古代亚洲和欧洲，“割肉补疮”有着近 2500 年的历史，只不过考虑到当时的医疗和麻醉水平，这似乎更像是一种“酷刑”。

而对皮肤组织的不可修复性损坏，考虑到身体排斥性反应，植皮几乎是唯一选择。

现代植皮手术最早出现在 19 世纪末。医生主要靠切取患者自身或他人皮肤进行移植修复，这一过程非常疼痛，而且大面积皮肤损伤患者的植皮来源也是问题。

基于以上原因，超仿真电子皮肤模型应运而生。

电子皮肤模拟、还原甚至取代机体皮肤，需要具备感觉和触觉，即与人体皮肤一样感知不同外界压力、畅通传导触觉信号的最基本功能。

但电子皮肤的应用绝不局限在医学领域，比如还可以应用在智能机器人领域，帮助机器人敏感获知环境信息，同时赋予其机械灵活性。

而在可穿戴电子产品方面，电子皮肤被认为是可穿戴设备的终极形态。

作为一种可嵌入或覆盖人体的设备，电子皮肤或将是人体健康最好的风向标。

2020 年，来自科罗拉多大学博尔德分校的研究人员，就开发了一种“真正可穿戴”的电子设备。这种可穿戴设备不仅可以执行一系列感官任务（比如测量体温或追踪日常步数），还可以进行自我修复。更重要的是，这款可穿戴设备可以被设计成适合人们身体任何部位的形状。

2021 年，来自南方科技大学、首都医科大学和中国科学院大学的联合研究团队，也开发了一种集成多层电路的电子纹身，这种电子纹身兼具高延展性（8 倍）、保形性和粘性等优点，可以嵌入手指皱褶和指纹等一些皮肤上细小的特征中，能够牢固地附着在皮肤上，且在皮肤表面经反复变形后也不会脱落。

那么，未来的电子皮肤会是怎样的？

早在 2020 腾讯科学 WE 大会上，鲍哲南在主题演讲中就大胆畅想了一番：未来的电子工业将会有一个巨大的改变，人类将通过电子皮肤进行沟通，手机功能也可能融入衣服甚至植入体内。

参考资料：

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

标签： 发光二极管 斯坦福大学 研究人员

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