這種有彈性，薄，明亮，防水的顯示器，無需粘合劑就可以貼在皮膚上，在未來幾年內將開始出現(xiàn)。它們不僅會出現(xiàn)在老年人的手上和手臂上，也會出現(xiàn)在運動員、旅行者、時髦人士和早期嘗試者的手上和手臂上。該設備可以悄悄地更新跑步者和騎車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。它們也可以被用來在朋友和情人之間傳遞秘密信息。同時，還甚至可以與他人分享情感暗示，比如焦慮，開心，或是興奮，一切視環(huán)境而定 —— 它或將能夠促進友誼，加深交流，或幫助隔離使用。
對于老年人或體弱者，顯示器可以顯示心電圖波形，從放置在身體其他部位的無線電極收集數據。他們還可以提醒那些聽力不好的人有來電或敲門聲。
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用于衣服和其他對象的曲面。它們的顏色、亮度或圖案可能會隨著你的活動或對周圍世界的反應而改變。
由于出現(xiàn)了能夠扭轉、彎曲和伸展的薄而靈活的電路，人們已經嘗試將半導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量醫(yī)院和其他地方生命體征的傳感器。而運動飲料公司佳得樂今年早些時候發(fā)布了一個靈活的汗液監(jiān)測補丁。
但是為了從這些傳感器中獲取有用的信息，用戶仍然需要拿出智能手機或輔助利用附近的計算機。SmartWatch的目的是使獲取這些信息變得不那么麻煩，但有些人覺得其體積過大了，并且這些微小的顯示器可能有很難看清。
顯示器長期以來一直是可穿戴設備發(fā)展道路上的一個坑洞，許多研究人員一直試圖填補這個坑洞，包括在東京大學工程學院有機晶體管實驗室的研究小組。傳統(tǒng)的顯示技術很難做到靈活。雖然可彎曲的電視和折疊的智能手機終于面世了，但它們的造價非常昂貴。并且，只能朝一個方向滾動或折疊 —— 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現(xiàn)了，隨時可以為我們提供所需的信息，使得我們不再需要電話。我（作者，以下簡稱我）的團隊已經開發(fā)并演示了這種皮膚顯示的幾個版本。日本印刷公司（Dai Nippon Printing Co.）正致力于將我們的皮膚顯示技術推向市場，很可能在未來三年內實現(xiàn)。
并非所有類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。打開和關閉電流會改變液晶的方向，從而改變光的偏振，使其通過偏振濾光片到達觀看者，或者被濾光片阻擋。拉伸LCD會改變液晶層的厚度，從而改變晶體的排列。
基于有機發(fā)光二極管（OLED）的的顯示器沒有這樣的限制。這些OLED顯示器確實可以打印到薄而靈活的基板上。今天的可滾動顯示器利用了這一功能。然而，迄今為止，還沒有人將一種可以向多個方向拉伸和彎曲的OLED顯示器商業(yè)化，盡管據報道三星正在研發(fā)一種。在我們的實驗室里，我們制作了一個低分辨率OLED顯示器的原型。盡管如此，研究人員仍需要相當長的時間才能開發(fā)出一種既有彈性又經久耐用的材料，這種材料還可以用來保護設備免受氧氣和水蒸氣的傷害。
所以我的小組主要研究無機發(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，西北大學的Rogers研究小組、荷蘭Imec和TNO的一個團隊以及芬蘭VTT技術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平方毫米的封裝構成圖像元素或像素；每個都包含一個紅色、一個綠色和一個藍色LED。因為這些器件是用標準的半導體制造技術制造的，所以單個的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，形成了一個非常靈活的顯示器。
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度的130%，將像素之間的距離從2.5毫米擴大到3.25毫米。拉伸會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，我們從一個非常薄的塑料基板開始。然后我們使用絲網印刷來定義將像素連接到電路中的布線。對于這種布線，我們使用銀膏——一種含有銀片的樹脂。當干燥時，這種銀漿是有彈性的，即使在膨脹和收縮時也能導電。
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準表面貼片機。然后，我們將塑料薄膜層壓到硅橡膠基底上，硅橡膠基底已經在框架上預拉伸。當我們從框架中取出完整的設備時，現(xiàn)在是一個具有多層的薄板，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。由于有機硅材料的天然特性，無需粘合劑即可粘合。
這就是我們的顯示器：微型發(fā)光二極管通過印刷銀導線連接到預先拉伸的硅酮基板上。現(xiàn)在，我們把電子設備、控制器、無線收音機和電池放在一個單獨的硬包裝中，通過電線與顯示器相連。為了進行測試，我們將柔性顯示屏放在用戶的手上，并將其他電子產品像手表一樣綁在手腕上。顯然，在我們的設備商業(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。這將帶來一些挑戰(zhàn)。
第一個挑戰(zhàn)是如何在沒有笨重電池的情況下，一次為這些顯示器供電一周或更長時間的續(xù)航。研究人員正在努力改進可穿戴設備的電源。可伸縮太陽能電池已經存在，其效率已經達到12%以上，在室外每平方厘米產生約10毫瓦的電能。盡管如此，從它們身上獲取足夠的電力來驅動顯示器仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，這肯定涉及到開發(fā)比現(xiàn)在可用的電力少得多的顯示器控制器和無線收音機。
同時，我們希望驅動更多像素。我們知道144像素的數組雖然可以用來顯示文本，但并不是最佳的。目前，我們受到商用LED尺寸的限制。幸運的是，微型發(fā)光二極管的用途已經超出了皮膚顯示，他們的制造商正在努力使它們每年都變小。皮膚顯示無疑將受益于這一進展。
我們還需要提高耐用性。目前，我們的顯示器在機械測試中可以承受10000次拉伸循環(huán)。但我們可以想象，對于許多應用程序來說，人們每天大部分時間都會佩戴我們的顯示器，而且日復一日。所以我們需要做得更好，比如說，一百萬次拉伸循環(huán)。我們是怎么得到這個數字的呢？假設一年有525600分鐘，然后考慮一個人伸出或彎曲他的手的頻率，你就會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擔程度之間有一個權衡。當我們使用更硬、更耐用的材料時，顯示器就變得不那么舒適了。我們需要通過更多的研究來找出耐用性和舒適性之間的最佳點。
當然，解決許多可穿戴設備共同面臨的廣泛問題，包括道德、隱私和醫(yī)療器械特有的法規(guī)，對于皮膚顯示器的未來，尤其是顯示生物特征信息的皮膚顯示器，也將非常重要。
根據我們目前的工作，我們不希望這些困難中有任何一個成為阻礙。相反，我們期望在不久的將來解決其中許多挑戰(zhàn)。
為了收集數據，我們轉向皮膚一致性傳感器，能夠檢測來自心臟、大腦、皮膚、肌肉和其他器官的信號。這些傳感器的關鍵部分是電極。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）制成的納米纖維網開始。然后我們用氣相沉積法在這個網孔上加一層70到100納米厚的金導電層。為了將這個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度的130%時也能工作，大約相當于它彎曲時關節(jié)皮膚的伸展。
因為納米網允許水蒸氣通過，這些傳感器是低過敏性的，可以在皮膚上連續(xù)佩戴一周而不會感到不適 —— 用戶甚至會忽略掉佩戴了它們。可穿戴電極并不是全新的；一段時間以來，可穿戴式心電圖監(jiān)護儀一直面向運動員銷售。但這些都是笨重的設備，而且它們根本不透氣，使得它們無法長期使用。
到目前為止，我們已經使用彈性電極來監(jiān)測肌電圖記錄的肌肉活動，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位置監(jiān)測心臟或大腦的活動。
當我們將符合皮膚的傳感器連接到顯示器上時，我們可以創(chuàng)建一個連續(xù)的、易于訪問的生物特征信息流。但是皮膚展示的應用遠遠超出了健康和保健的范疇。皮膚顯示提高了信息的可訪問性，使它們在您雙手都很忙并且在活動中時特別有用。例如，你可以一邊做飯一邊看菜譜，而不用擔心像以往要看手機的時候要先洗凈擦干雙手。
在體育運動中的應用似乎是無限的。我已經提到了跑步者和騎行者，對于他們的效果是顯而易見的。其他戶外愛好者也會發(fā)現(xiàn)它的用途。以跳傘者、皮劃艇運動員和滑雪者為例，他們可以通過“偷看”手臂或手來檢查頭盔上攝像機的輸出等等。
由于皮膚在受到撞擊時會彎曲而不是破裂，所以即使在接觸運動中，它們也會很有用。不幸的是，每年大約有十幾名美國年輕足球運動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，該設備都可以檢測到這兩種情況。
最后，我相信皮膚展示可以讓我們走向一個溫和、善良、傳播溫暖的未來科技，而不僅僅是獲取信息。這是我對電子設備的未來的愿望 —— 它不僅能傳輸數據，而且能傳遞感情。
