這種有彈性，薄，明亮，防水的顯示器，無(wú)需粘合劑就可以貼在皮膚上，在未來(lái)幾年內(nèi)將開(kāi)始出現(xiàn)。它們不僅會(huì)出現(xiàn)在老年人的手上和手臂上，也會(huì)出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)員、旅行者、時(shí)髦人士和早期嘗試者的手上和手臂上。該設(shè)備可以悄悄地更新跑步者和騎車(chē)者的心率和水化需求，紫外線照射，甚至顯示前方路線的地圖。它們也可以被用來(lái)在朋友和情人之間傳遞秘密信息。同時(shí)，還甚至可以與他人分享情感暗示，比如焦慮，開(kāi)心，或是興奮，一切視環(huán)境而定 —— 它或?qū)⒛軌虼龠M(jìn)友誼，加深交流，或幫助隔離使用。
對(duì)于老年人或體弱者，顯示器可以顯示心電圖波形，從放置在身體其他部位的無(wú)線電極收集數(shù)據(jù)。他們還可以提醒那些聽(tīng)力不好的人有來(lái)電或敲門(mén)聲。
我們放置這些薄、靈活、可拉伸的顯示器的位置不限于皮膚；這些顯示將同樣容易應(yīng)用于衣服和其他對(duì)象的曲面。它們的顏色、亮度或圖案可能會(huì)隨著你的活動(dòng)或?qū)χ車(chē)澜绲姆磻?yīng)而改變。
由于出現(xiàn)了能夠扭轉(zhuǎn)、彎曲和伸展的薄而靈活的電路，人們已經(jīng)嘗試將半導(dǎo)體電路粘貼到皮膚上，將其包裹在手、手臂、小腿或軀干的彎曲表面上。第一代這種彈性耐磨材料是測(cè)量醫(yī)院和其他地方生命體征的傳感器。而運(yùn)動(dòng)飲料公司佳得樂(lè)今年早些時(shí)候發(fā)布了一個(gè)靈活的汗液監(jiān)測(cè)補(bǔ)丁。
但是為了從這些傳感器中獲取有用的信息，用戶(hù)仍然需要拿出智能手機(jī)或輔助利用附近的計(jì)算機(jī)。SmartWatch的目的是使獲取這些信息變得不那么麻煩，但有些人覺(jué)得其體積過(guò)大了，并且這些微小的顯示器可能有很難看清。
顯示器長(zhǎng)期以來(lái)一直是可穿戴設(shè)備發(fā)展道路上的一個(gè)坑洞，許多研究人員一直試圖填補(bǔ)這個(gè)坑洞，包括在東京大學(xué)工程學(xué)院有機(jī)晶體管實(shí)驗(yàn)室的研究小組。傳統(tǒng)的顯示技術(shù)很難做到靈活。雖然可彎曲的電視和折疊的智能手機(jī)終于面世了，但它們的造價(jià)非常昂貴。并且，只能朝一個(gè)方向滾動(dòng)或折疊 —— 它們不能扭曲或伸展。
現(xiàn)在，真正靈活、明亮的顯示器終于接近實(shí)現(xiàn)了，隨時(shí)可以為我們提供所需的信息，使得我們不再需要電話(huà)。我（作者，以下簡(jiǎn)稱(chēng)我）的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)并演示了這種皮膚顯示的幾個(gè)版本。日本印刷公司（Dai Nippon Printing Co.）正致力于將我們的皮膚顯示技術(shù)推向市場(chǎng)，很可能在未來(lái)三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
并非所有類(lèi)型的顯示器都可以拉伸。例如，在液晶顯示器中，光從一組電極后面發(fā)出，電極之間有一層液晶。打開(kāi)和關(guān)閉電流會(huì)改變液晶的方向，從而改變光的偏振，使其通過(guò)偏振濾光片到達(dá)觀看者，或者被濾光片阻擋。拉伸LCD會(huì)改變液晶層的厚度，從而改變晶體的排列。
基于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的的顯示器沒(méi)有這樣的限制。這些OLED顯示器確實(shí)可以打印到薄而靈活的基板上。今天的可滾動(dòng)顯示器利用了這一功能。然而，迄今為止，還沒(méi)有人將一種可以向多個(gè)方向拉伸和彎曲的OLED顯示器商業(yè)化，盡管據(jù)報(bào)道三星正在研發(fā)一種。在我們的實(shí)驗(yàn)室里，我們制作了一個(gè)低分辨率OLED顯示器的原型。盡管如此，研究人員仍需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能開(kāi)發(fā)出一種既有彈性又經(jīng)久耐用的材料，這種材料還可以用來(lái)保護(hù)設(shè)備免受氧氣和水蒸氣的傷害。
所以我的小組主要研究無(wú)機(jī)發(fā)光二極管的微型發(fā)光二極管顯示器。我們不是唯一采取這種方法的人。例如，西北大學(xué)的Rogers研究小組、荷蘭Imec和TNO的一個(gè)團(tuán)隊(duì)以及芬蘭VTT技術(shù)研究中心的研究人員也在研究將LED陣列作為可拉伸顯示器的一部分。
我們最近生產(chǎn)了我們的第二代全彩色皮膚顯示器使用商用微型LED。在這些顯示器中，1.5平方毫米的封裝構(gòu)成圖像元素或像素；每個(gè)都包含一個(gè)紅色、一個(gè)綠色和一個(gè)藍(lán)色LED。因?yàn)檫@些器件是用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)制造的，所以單個(gè)的LED和圍繞它們的封裝都很硬。但是LED很小，我們把它們安裝在一塊橡膠板上，用可伸縮的電線連接起來(lái)，形成了一個(gè)非常靈活的顯示器。
這些微型LED封裝以12×12陣列排列。未拉伸的像素封裝間距為2.5毫米，因此整個(gè)顯示屏約為46平方毫米（約1.8平方英寸），厚度僅為2毫米。我們可以自由地彎曲和扭曲它，并將其拉伸到原始長(zhǎng)度的130%，將像素之間的距離從2.5毫米擴(kuò)大到3.25毫米。拉伸會(huì)在一定程度上扭曲圖片，但文字仍然清晰可辨，而且顯示屏已經(jīng)證明能夠抵抗拉伸造成的磨損。
為了制作這種可拉伸的顯示器，我們從一個(gè)非常薄的塑料基板開(kāi)始。然后我們使用絲網(wǎng)印刷來(lái)定義將像素連接到電路中的布線。對(duì)于這種布線，我們使用銀膏——一種含有銀片的樹(shù)脂。當(dāng)干燥時(shí)，這種銀漿是有彈性的，即使在膨脹和收縮時(shí)也能導(dǎo)電。
印刷完電路后，我們將微型LED芯片焊接到電路板上，使用商業(yè)上用于將芯片連接到電路板上的標(biāo)準(zhǔn)表面貼片機(jī)。然后，我們將塑料薄膜層壓到硅橡膠基底上，硅橡膠基底已經(jīng)在框架上預(yù)拉伸。當(dāng)我們從框架中取出完整的設(shè)備時(shí)，現(xiàn)在是一個(gè)具有多層的薄板，包括LED封裝、銀線、薄塑料膜和它扣上的硅酮基底。它是這種皺褶，收縮的形式，適用于某人的皮膚。由于有機(jī)硅材料的天然特性，無(wú)需粘合劑即可粘合。
這就是我們的顯示器：微型發(fā)光二極管通過(guò)印刷銀導(dǎo)線連接到預(yù)先拉伸的硅酮基板上。現(xiàn)在，我們把電子設(shè)備、控制器、無(wú)線收音機(jī)和電池放在一個(gè)單獨(dú)的硬包裝中，通過(guò)電線與顯示器相連。為了進(jìn)行測(cè)試，我們將柔性顯示屏放在用戶(hù)的手上，并將其他電子產(chǎn)品像手表一樣綁在手腕上。顯然，在我們的設(shè)備商業(yè)化之前，我們必須縮小這些外部組件的尺寸，并將它們放入我們的軟包裝中。這將帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。
第一個(gè)挑戰(zhàn)是如何在沒(méi)有笨重電池的情況下，一次為這些顯示器供電一周或更長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航。研究人員正在努力改進(jìn)可穿戴設(shè)備的電源。可伸縮太陽(yáng)能電池已經(jīng)存在，其效率已經(jīng)達(dá)到12%以上，在室外每平方厘米產(chǎn)生約10毫瓦的電能。盡管如此，從它們身上獲取足夠的電力來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示器仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這肯定涉及到開(kāi)發(fā)比現(xiàn)在可用的電力少得多的顯示器控制器和無(wú)線收音機(jī)。
同時(shí)，我們希望驅(qū)動(dòng)更多像素。我們知道144像素的數(shù)組雖然可以用來(lái)顯示文本，但并不是最佳的。目前，我們受到商用LED尺寸的限制。幸運(yùn)的是，微型發(fā)光二極管的用途已經(jīng)超出了皮膚顯示，他們的制造商正在努力使它們每年都變小。皮膚顯示無(wú)疑將受益于這一進(jìn)展。
我們還需要提高耐用性。目前，我們的顯示器在機(jī)械測(cè)試中可以承受10000次拉伸循環(huán)。但我們可以想象，對(duì)于許多應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，人們每天大部分時(shí)間都會(huì)佩戴我們的顯示器，而且日復(fù)一日。所以我們需要做得更好，比如說(shuō)，一百萬(wàn)次拉伸循環(huán)。我們是怎么得到這個(gè)數(shù)字的呢？假設(shè)一年有525600分鐘，然后考慮一個(gè)人伸出或彎曲他的手的頻率，你就會(huì)明白皮膚展示必須是多么持久了。
然而，在耐久性和顯示在皮膚上的負(fù)擔(dān)程度之間有一個(gè)權(quán)衡。當(dāng)我們使用更硬、更耐用的材料時(shí)，顯示器就變得不那么舒適了。我們需要通過(guò)更多的研究來(lái)找出耐用性和舒適性之間的最佳點(diǎn)。
當(dāng)然，解決許多可穿戴設(shè)備共同面臨的廣泛?jiǎn)栴}，包括道德、隱私和醫(yī)療器械特有的法規(guī)，對(duì)于皮膚顯示器的未來(lái)，尤其是顯示生物特征信息的皮膚顯示器，也將非常重要。
根據(jù)我們目前的工作，我們不希望這些困難中有任何一個(gè)成為阻礙。相反，我們期望在不久的將來(lái)解決其中許多挑戰(zhàn)。
為了收集數(shù)據(jù)，我們轉(zhuǎn)向皮膚一致性傳感器，能夠檢測(cè)來(lái)自心臟、大腦、皮膚、肌肉和其他器官的信號(hào)。這些傳感器的關(guān)鍵部分是電極。為了制造柔性電極，我們從一種水溶性聚乙烯醇（一種常用于粘合劑和隱形眼鏡的物質(zhì)）制成的納米纖維網(wǎng)開(kāi)始。然后我們用氣相沉積法在這個(gè)網(wǎng)孔上加一層70到100納米厚的金導(dǎo)電層。為了將這個(gè)電極連接到人的皮膚上，我們將它放置好，然后向傳感器噴水。水溶解了一些納米纖維，使它們變得粘稠。然后電極很容易粘附在皮膚上，符合像汗孔或指紋圖案的脊線一樣小的曲線表面。它甚至在伸展到其長(zhǎng)度的130%時(shí)也能工作，大約相當(dāng)于它彎曲時(shí)關(guān)節(jié)皮膚的伸展。
因?yàn)榧{米網(wǎng)允許水蒸氣通過(guò)，這些傳感器是低過(guò)敏性的，可以在皮膚上連續(xù)佩戴一周而不會(huì)感到不適 —— 用戶(hù)甚至?xí)雎缘襞宕髁怂鼈儭？纱┐麟姌O并不是全新的；一段時(shí)間以來(lái)，可穿戴式心電圖監(jiān)護(hù)儀一直面向運(yùn)動(dòng)員銷(xiāo)售。但這些都是笨重的設(shè)備，而且它們根本不透氣，使得它們無(wú)法長(zhǎng)期使用。
到目前為止，我們已經(jīng)使用彈性電極來(lái)監(jiān)測(cè)肌電圖記錄的肌肉活動(dòng)，它的表現(xiàn)和傳統(tǒng)電極一樣好。我們同樣可以制造傳感器，從胸部或頭部的某個(gè)位置監(jiān)測(cè)心臟或大腦的活動(dòng)。
當(dāng)我們將符合皮膚的傳感器連接到顯示器上時(shí)，我們可以創(chuàng)建一個(gè)連續(xù)的、易于訪問(wèn)的生物特征信息流。但是皮膚展示的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了健康和保健的范疇。皮膚顯示提高了信息的可訪問(wèn)性，使它們?cè)谀p手都很忙并且在活動(dòng)中時(shí)特別有用。例如，你可以一邊做飯一邊看菜譜，而不用擔(dān)心像以往要看手機(jī)的時(shí)候要先洗凈擦干雙手。
在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用似乎是無(wú)限的。我已經(jīng)提到了跑步者和騎行者，對(duì)于他們的效果是顯而易見(jiàn)的。其他戶(hù)外愛(ài)好者也會(huì)發(fā)現(xiàn)它的用途。以跳傘者、皮劃艇運(yùn)動(dòng)員和滑雪者為例，他們可以通過(guò)“偷看”手臂或手來(lái)檢查頭盔上攝像機(jī)的輸出等等。
由于皮膚在受到撞擊時(shí)會(huì)彎曲而不是破裂，所以即使在接觸運(yùn)動(dòng)中，它們也會(huì)很有用。不幸的是，每年大約有十幾名美國(guó)年輕足球運(yùn)動(dòng)員死于中暑或心臟病。在許多情況下，在這種致命情況發(fā)生之前，該設(shè)備都可以檢測(cè)到這兩種情況。
最后，我相信皮膚展示可以讓我們走向一個(gè)溫和、善良、傳播溫暖的未來(lái)科技，而不僅僅是獲取信息。這是我對(duì)電子設(shè)備的未來(lái)的愿望 —— 它不僅能傳輸數(shù)據(jù)，而且能傳遞感情。
