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

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。