Nature：鮑哲南團隊研發(fā)新型可穿戴顯示器，電子皮膚時代加速到來

圖｜APLED 可以伸展至 2 倍長而不會損壞撕裂（素材來源：YouTube）

這種全聚合物薄膜可以粘在手臂或手指上，在彎曲或彎曲時不會撕裂，這將使可穿戴顯示器直接附著在皮膚上。

這一設(shè)計或標志著高性能可拉伸顯示器的重要進展，為電子皮膚和人-電子應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

相關(guān)研究論文以“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution”為題，已發(fā)表在權(quán)威科學(xué)期刊 Nature 上。

論文通訊作者、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系教授鮑哲南表示，APLED 具備可拉伸顯示器的多種其他潛在用途，比如可以用來制作可變形的交互式屏幕，甚至可以在地圖上形成三維景觀等。
“想象一個顯示器，你可以在屏幕上看到和感覺到三維物體，”鮑哲南說，“這將是一種全新的遠程互動方式。”

魚和熊掌，可兼得
如今，越來越多的可穿戴電子產(chǎn)品，比如生物傳感器、智能手表、柔性發(fā)光器件、柔性顯示器和電子皮膚等，開始出現(xiàn)在我們的日常生活中。

它們體積輕巧、佩戴方便，具備成像、治療、對身體健康指標和疾病進行早期監(jiān)測等多種功能。

但是，這些可穿戴電子產(chǎn)品也存在一些非常明顯的缺點。

例如，貼合在皮膚上的理想發(fā)光二極管（LED）顯示器需要摸起來柔軟，可拉伸且明亮度好，但目前的可拉伸發(fā)光裝置大部分是用無機材料制成的，盡管科學(xué)家可以通過添加橡膠等彈性絕緣材料來增加它們的彈性，但這些添加劑也會同時降低它們的導(dǎo)電性，二者不可兼得。

因此，如何解決這一問題，是近年來全球科學(xué)家們都在廣泛關(guān)注的熱點。

在大約三年前，論文的共同一作、鮑哲南團隊的博士后學(xué)者張智濤恰好發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“SuperYellow”的黃色發(fā)光聚合物，這種聚合物的功能就像燈泡中的燈絲，當與一種聚氨酯（一種有彈性的塑料）混合時，不僅會變得柔軟柔韌，還能發(fā)出更亮的光。

“如果我們加入聚氨酯，我們會看到 SuperYellow 形成納米結(jié)構(gòu)，”張智濤說，“這些納米結(jié)構(gòu)非常重要，它們像魚網(wǎng)一樣連接在一起，使脆性聚合物變得可拉伸、發(fā)出更亮的光?！?/span>

圖｜APLED 隨手指彎曲而被拉伸（來源：Nature）

與添加橡膠不同的是，使 SuperYellow 具有彈性的納米纖維網(wǎng)不會阻礙電流——這是開發(fā)一種明亮顯示器的關(guān)鍵。

也正是基于此，研究團隊完成了 APLED 的設(shè)計和制作流程。

在這一發(fā)現(xiàn)之后，該團隊還創(chuàng)造了有彈性的紅色、綠色和藍色發(fā)光聚合物。

有了可拉伸的發(fā)光聚合物，研究小組需要將電子顯示屏的其余部分組合在一起。

“找到合適的材料非常具有挑戰(zhàn)性。在電子學(xué)方面，它們必須相互匹配，才能顯示出高亮度。但是，這些材料也需要有同樣好的機械性能，來保證顯示器可拉伸?！?鮑哲南解釋道。

因此，研究人員必須找到一種方法，即使將多種材料堆疊在一起，也不會降低顯示器的亮度。

顯示器的最終設(shè)計包含 7 層：兩個外層是封裝設(shè)備的基板，向內(nèi)是兩個電極層，每個電極層后是電荷傳輸層，發(fā)光層被夾在中間。
圖｜APLED 結(jié)構(gòu)示意圖（來源：Nature）
當電流通過顯示器時，一個電極向發(fā)光層注入正電荷，而另一個電極向發(fā)光層注入帶負電荷的點子。當這兩種電荷相遇后，它們會相互作用并進入能量激發(fā)態(tài)，緊接著就會產(chǎn)生一個光子，多個光子聚集成明亮的光。

此外，為了使得 APLED 可以貼在人體皮膚上進行長時間工作，研究團隊還使用了一種靈活的無線能量采集系統(tǒng)，通過無線電波為 APLED 供電，并證明了 APLED 能夠跟上心跳節(jié)拍，實時顯示脈搏信號。
電子皮膚：可穿戴設(shè)備的終極形態(tài)

在古代亞洲和歐洲，“割肉補瘡”有著近 2500 年的歷史，只不過考慮到當時的醫(yī)療和麻醉水平，這似乎更像是一種“酷刑”。

而對皮膚組織的不可修復(fù)性損壞，考慮到身體排斥性反應(yīng)，植皮幾乎是唯一選擇。

現(xiàn)代植皮手術(shù)最早出現(xiàn)在 19 世紀末。醫(yī)生主要靠切取患者自身或他人皮膚進行移植修復(fù)，這一過程非常疼痛，而且大面積皮膚損傷患者的植皮來源也是問題。

基于以上原因，超仿真電子皮膚模型應(yīng)運而生。

電子皮膚模擬、還原甚至取代機體皮膚，需要具備感覺和觸覺，即與人體皮膚一樣感知不同外界壓力、暢通傳導(dǎo)觸覺信號的最基本功能。

但電子皮膚的應(yīng)用絕不局限在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，比如還可以應(yīng)用在智能機器人領(lǐng)域，幫助機器人敏感獲知環(huán)境信息，同時賦予其機械靈活性。

而在可穿戴電子產(chǎn)品方面，電子皮膚被認為是可穿戴設(shè)備的終極形態(tài)。

作為一種可嵌入或覆蓋人體的設(shè)備，電子皮膚或?qū)⑹侨梭w健康最好的風(fēng)向標。

2020 年，來自科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員，就開發(fā)了一種“真正可穿戴”的電子設(shè)備。這種可穿戴設(shè)備不僅可以執(zhí)行一系列感官任務(wù)（比如測量體溫或追蹤日常步數(shù)），還可以進行自我修復(fù)。更重要的是，這款可穿戴設(shè)備可以被設(shè)計成適合人們身體任何部位的形狀。

2021 年，來自南方科技大學(xué)、首都醫(yī)科大學(xué)和中國科學(xué)院大學(xué)的聯(lián)合研究團隊，也開發(fā)了一種集成多層電路的電子紋身，這種電子紋身兼具高延展性（8 倍）、保形性和粘性等優(yōu)點，可以嵌入手指皺褶和指紋等一些皮膚上細小的特征中，能夠牢固地附著在皮膚上，且在皮膚表面經(jīng)反復(fù)變形后也不會脫落。

那么，未來的電子皮膚會是怎樣的？

早在 2020 騰訊科學(xué) WE 大會上，鮑哲南在主題演講中就大膽暢想了一番：未來的電子工業(yè)將會有一個巨大的改變，人類將通過電子皮膚進行溝通，手機功能也可能融入衣服甚至植入體內(nèi)。

參考資料：
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