皮肤显示将赋予可穿戴设备独立性

一位老妇人，一个人住在一个小山村，下午吃完午饭后放松一下。她的手背上贴着一块方形的薄橡胶。就像膏药一样，当她弯曲手指时，它会伸展，然后起皱。

当她拿起茶杯时，方块亮了起来，上面写着:“吃降压药。”她微笑着，回想起自己曾经如何挣扎，经常记不住，尽管她的智能手机已经被编程给她发送了这样的提醒。但现在，多亏了她手上名片大小的贴片，她没有错过任何一次注射。事实上，她现在可以在显示器上看到的血压值，完全在健康范围内。

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有弹性、轻薄、明亮、防水、无需粘合剂就能贴在皮肤上的显示器将在未来几年开始出现。它们不仅会出现在老年人的手上和手臂上，还会出现在运动员、旅行者、潮人和早期采用者的手上和手臂上。它们将低调地更新跑步者和骑自行车者的心率、补水需求、紫外线暴露情况，甚至显示前方路线的地图。它们将被用来在朋友和爱人之间发送秘密信息。这对时尚先锋无疑会在派对和节日上互相炫耀信息和重要数据。这样的表现甚至可能与观察者分享情绪线索，表明你感兴趣、焦虑、有空或兴奋。根据环境的不同，它可能会增进友谊，加深交流，或者是美好的隔离。

对于老年人或体弱者，这些显示器可以显示心电图波形，从放置在身体其他部位的无线电极收集数据。它们还可以提醒听力不好的人有来电或敲门声。

虽然可穿戴显示器的第一个应用可能是传达健康信息，但它的可能性是无限的。Yoshiaki Tsutsui/东京大学

我们将这些轻薄、柔韧、可拉伸的显示器放置的位置将不仅仅局限于皮肤;这种显示器同样容易应用于衣服和其他物体的曲面上。它们的颜色、亮度或图案会随着你的活动或你周围的世界而变化。

多亏了能够扭曲、弯曲和拉伸的薄而灵活的电路的出现，人们已经把半导体电路固定在皮肤上将它们缠绕在手、手臂、小腿或躯干的弯曲表面上。第一代可拉伸可穿戴设备是传感器，可在医院和其他地方测量生命体征。亚博排列五投注网站和佳得乐这家运动饮料公司发布了一份报告一个灵活的汗液监测贴片今年早些时候。

但要从这些传感器获取有用的信息，用户仍然需要拿出智能手机或咨询附近的电脑。亚博排列五投注网站智能手表的目标是让获取这些信息不那么麻烦，但有些人觉得它们很笨重，而且微小的显示屏很难阅读。

长期以来，显示器一直是可穿戴设备发展道路上的一个坑洞，许多研究人员一直在试图填补这个坑洞，包括我的团队东京大学有机晶体管实验室在工程学院。传统的显示技术很难变得灵活。虽然可以卷起的电视和可折叠的智能手机终于上市了，但它们真的很贵。它们只能在一个方向上滚动或折叠;它们不能扭曲或拉伸。

现在，真正灵活、明亮的显示屏终于接近实现，它将为我们提供所需的信息，而不需要手机。我的团队已经开发并演示了几个版本的这种皮肤显示。和日本印刷株式会社正在努力将我们的皮肤显示技术推向市场，可能在未来三年内实现。

不是所有类型的显示器可以做成可拉伸的。例如，在液晶显示器中，光从一组电极后面照射，电极之间有一层液晶。打开和关闭电流会改变液晶的方向，从而改变光的偏振，使其要么通过偏振滤光片到达观察者，要么被滤光片挡住。拉伸液晶会改变液晶层的厚度，从而改变晶体的排列方向。

基于有机led (oled)的显示器则没有这样的限制。这些OLED显示器确实可以打印在薄而灵活的基板上。今天的可滚动显示器利用了这一功能。然而，到目前为止，还没有人将可以向多个方向拉伸和弯曲的OLED显示器商业化据报道，三星一直在研发一款智能手机．在我们的实验室里，我们确实生产了低分辨率OLED显示器的原型．尽管如此，研究人员仍需要相当长的时间来开发一种有弹性的、持久的材料，这种材料也可以用来保护设备免受氧气和水蒸气的侵害。

所以我的小组主要研究无机led微型led显示屏。我们并不是唯一采用这种方法的人。例如,罗杰斯研究小组西北大学的一个研究小组Imec而且TNO荷兰的研究人员和芬兰VTT技术研究中心也在考虑使用led阵列作为可伸缩的显示年代。

将传统的微型led安装在橡胶板上，并将它们与可拉伸的电线连接起来，可以弯曲、扭曲和拉伸到原来长度的130%。日本印刷株式会社

我们最近使用商用微型led生产了第二代全彩皮肤显示器。在这些显示器中，一个1.5平方毫米的包组成一个图像元素或像素;每个都包含一个红色，一个绿色和一个蓝色LED。由于这些器件是使用标准半导体制造技术构建的，单个led和围绕它们的封装都很困难。但是led很小，我们把它们安装在一块橡胶板上，用可拉伸的电线连接起来，创造出一个非常灵活的显示屏。

这些微型led封装以12 × 12的阵列排列。在未拉伸的情况下，像素包之间的间隔为2.5毫米，因此整个显示屏约为46毫米见方(约1.8英寸见方)，厚度仅为2毫米。我们可以自由地弯曲和扭曲它，并将其拉伸到原始长度的130%，将像素之间的距离从2.5毫米扩大到3.25毫米。拉伸会使图片有些扭曲，但文字仍然清晰可辨，而且显示器已被证明耐拉伸磨损。

为了制作这种可拉伸显示器，我们从非常薄的塑料基板开始。然后，我们使用丝网印刷来定义将像素连接到电路中的线路。我们使用银糊——一种含有银薄片的树脂。当干燥时，这种银糊是有弹性的，即使在膨胀和收缩时也能导电。

打印完电路后，我们使用商用的标准表面贴片机将微型led芯片焊接到电路板上。然后，我们将塑料薄膜层压在已在框架上预拉伸的硅橡胶基板上。当我们从框架中取出完整的设备时——现在是一个多层的薄片，包括LED封装、银线、薄膜塑料和硅胶衬底——它就会弯曲。它以这种皱缩的形式涂在人的皮肤上。由于有机硅材料的天然特性，无需粘合剂即可粘附。

东京大学教授Takao Someya希望皮肤展示能让家庭成员之间安静地交流他们的感受。Yoshiaki Tsutsui/东京大学

这就是我们的显示屏:微型led通过印刷银线连接到预拉伸的硅胶衬底上。现在，我们把电子设备——控制器、无线收音机和电池——放在一个单独的硬包装中，通过电线连接到显示器上。为了进行测试，我们将柔性显示器放在用户手上，并将其他电子设备像手表一样绑在手腕上。显然，在我们的设备商业化之前，我们必须减小这些外部组件的尺寸，并将它们纳入我们的柔性封装中。这将带来一些挑战。

挑战1就是如何在不使用笨重电池的情况下为这些显示器供电一周或更长时间。研究人员正在努力改进可穿戴设备的电源。可拉伸太阳能电池已经存在，并且已经达到了12%以上的效率，在室外每平方厘米产生大约10毫瓦。不过，要从它们身上获得足够的电力来为显示屏供电仍然是一个巨大的挑战，这肯定涉及到开发出比目前可用的耗电少得多的显示控制器和无线无线电。

同时，我们想要驱动更多的像素。我们知道144像素的数组虽然可用来显示文本，但并不是最优的。但就目前而言，我们受到了市面上led尺寸的限制。幸运的是，微型led的用途不仅仅是皮肤显示，而且它们的制造商每年都在努力把它们做得更小。毫无疑问，皮肤显示器将受益于这一进步。

我们还需要提高耐久性。目前，我们的显示器在机械测试中可以承受10,000次拉伸循环。但我们想象，对于许多应用程序，人们会在一天的大部分时间里佩戴我们的显示器，日复一日。所以我们需要做得更好——一百万次拉伸循环。我们是怎么得到这个数字的?假设一年有525600分钟，再考虑一下人们伸出或屈伸他的手的频率，你就知道皮肤展示有多耐用了。

然而，在耐用性和显示器对皮肤的负担程度之间需要权衡。当我们使用更坚硬、更耐用的材料时，显示器戴起来就不那么舒服了。我们需要做更多的研究，以确定耐久性和舒适性之间的最佳点。

当然，解决许多可穿戴设备普遍存在的问题——包括伦理、隐私和医疗器械特有的法规——对皮肤显示的未来也非常重要，尤其是那些显示生物特征信息的皮肤显示。

根据我们目前的工作，我们不期望这些困难会成为表演的阻碍。相反，我们期望在不久的将来解决其中许多挑战。

皮肤展示除非它有有趣的数据可以和佩戴者交流，否则没什么用处。为了收集这些数据，我们求助于皮肤传感器，这些传感器能够检测来自心脏、大脑、皮肤、肌肉和其他器官的亚博排列五投注网站信号。

这些传感器的关键部分是电极。亚博排列五投注网站为了制造柔性电极，我们从一种水溶性聚乙烯醇制成的纳米纤维网开始，这种物质通常用于粘合剂和隐形眼镜。然后，我们使用气相沉积在这个网格上添加一层70到100纳米厚的金导电层。为了将电极连接到人的皮肤上，我们将其定位，然后向传感器喷水。水会溶解一些纳米纤维，使它们具有粘性。然后电极很容易附着在皮肤上，符合汗孔或指纹图案的脊状曲线表面。即使在拉伸到其长度的130%时，它也能工作——大约是指节弯曲时皮肤的拉伸量。

由于纳米网允许水蒸气通过，这些传感器是低过敏性的，可以在皮肤上连续佩戴一周而没有不适。亚博排列五投注网站用户通常会忘记他们还戴着眼镜。可穿戴电极并非全新事物;可穿戴式心电图监测器已经向运动员销售了一段时间。但这些都是笨重的设备，而且根本不透气，不适合长期使用。

到目前为止，我们已经使用我们的弹性电极来监测肌肉活动，以记录肌电信号，并且它的表现与传统电极一样好。我们同样可以创建传感器，从胸部或头部的某个位置监亚博排列五投注网站测心脏或大脑的活动。

当我们连接时一个皮肤传感器到显示器，我们可以创建一个连续的，容易访问的生物特征信息流。但皮肤显示器的应用远远超出了健康和保健。皮肤显示器提高了信息的可访问性，当你双手都很忙并且在移动时，它们特别有用。例如，你可以一边做饭一边阅读食谱，而不用担心擦干手去看智能手机。或者你可以在家里或工厂里查阅使用手册，而不用放下你正在使用的工具。

它在体育运动中的应用似乎是无限的。我已经提到了跑步和骑自行车，它们的效用是显而易见的。其他户外运动爱好者也能找到用武之地。考虑一下跳伞运动员、白水皮划艇运动员和滑雪者，他们可以通过偷看他们的手臂或手来检查头盔上的运动摄像机的输出。渔民不用放下鱼竿，也不用冒险把智能手机丢进齐胸深的小溪，就可以咨询寻鱼器。

由于皮肤显示器在受到撞击时会弯曲而不是折断，因此即使在接触性运动中也很有用。不幸的是,大概有12个年轻的美国橄榄球运动员每年都死于中暑或心脏病。在许多情况下，这两种情况都可以在致命之前被检测出来。

最后，我相信皮肤显示器可以让我们进入一个温柔、善良、传播温暖的未来，而不仅仅是信息。

让我们回到我之前描述的那位老妇人。晚饭后她正在客厅里休息。因为她一个人住，没有人可以说话。只有电视的声音打破了寂静。然后，她注意到她手背上的显示器上有什么东西意外地闪烁着。这是一颗心的图像，来自一个住在遥远城市的孙子。那只是一颗小小的红心，但她觉得她好像真的听到了孙子的声音在说:“我爱你，奶奶!”她把另一只手放在显示器上，握住那颗心脏一会儿。这就是我对未来电子设备的期望——不仅能传输数据，还能传递情感。

本文发表在2021年6月的印刷版上，题为《放下智能手机:显示屏在你的皮肤上》。