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

时间:2022-03-24 13:51:34 来源: 学术头条


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)

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。

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。


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