圖｜一種可以佩戴在人體指關節上的彈性發光材料（來源：斯坦福大學）

如果在不久的將來，你的智能手機、家中的 75 英寸電視或者其他電子產品，都因可以被任意彎曲或折疊而具備各種充滿想象力的新功能，會是一種怎樣的體驗？

想象一下， 此時在你的面前，有一個可以任意變形的交互式屏幕，屏幕的顯示內容與呈現形式可以根據你們的即時交互內容而實時變化，甚至讓你有一種沉浸式的感官體驗。

不可否認的是，這種人機交互方式，有點腦洞大開、前所未有。

事實上，我們身邊的手機、電視等電子設備的屏幕，依然是扁平的、僵硬的和易碎的，缺乏與用戶進行交互響應的重塑能力。

如今，來自斯坦福大學、天津大學的研究團隊及其合作者，或許可以將人機交互方式變得更加充滿想象。研究團隊設計了一種極富彈性的可穿戴顯示器——可拉伸全聚合物發光二極管（APLED），APLED 具有很好的明亮度和耐用性，顯示器的最大亮度至少是手機的 兩倍，在拉伸至原有長度 兩倍時仍能正常工作。

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-電子應用奠定基礎。

相關研究論文以“High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution”為題，已發表在權威科學期刊 Nature 上。

（來源：Nature）

論文通訊作者、斯坦福大學化學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?！?/p>

魚和熊掌，可兼得

如今，越來越多的可穿戴電子產品，比如生物傳感器、智能手表、柔性發光器件、柔性顯示器和電子皮膚等，開始出現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測等多種功能。

但是，這些可穿戴電子產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，但目前的可拉伸發光裝置大部分是用無機材料制成的，盡管科學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，是近年來全球科學家們都在廣泛關注的熱點。在大約三年前，論文的共同一作、鮑哲南團隊的博士后學者張智濤恰好發現了一種被稱為“SuperYellow”的黃色發光聚合物，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 形成納米結構，”張智濤說，“這些納米結構非常重要，它們像魚網一樣連接在一起，使脆性聚合物變得可拉伸、發出更亮的光。”

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不會阻礙電流——這是開發一種明亮顯示器的關鍵。

也正是基于此，研究團隊完成了 APLED 的設計和制作流程。

在這一發現之后，該團隊還創造了有彈性的紅色、綠色和藍色發光聚合物。有了可拉伸的發光聚合物，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性。在電子學方面，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。

顯示器的最終設計包含 7 層：兩個外層是封裝設備的基板，向內是兩個電極層，每個電極層后是電荷傳輸層，發光層被夾在中間。

圖｜APLED 結構示意圖（來源：Nature）

當電流通過顯示器時，一個電極向發光層注入正電荷，而另一個電極向發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態，緊接著就會產生一個光子，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，通過無線電波為 APLED 供電，并證明了 APLED 能夠跟上心跳節拍，實時顯示脈搏信號。

電子皮膚：可穿戴設備的終極形態

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性損壞，考慮到身體排斥性反應，植皮幾乎是唯一選擇?，F代植皮手術最早出現在 19 世紀末。醫生主要靠切取患者自身或他人皮膚進行移植修復，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、暢通傳導觸覺信號的最基本功能。

但電子皮膚的應用絕不局限在醫學領域，比如還可以應用在智能機器人領域，幫助機器人敏感獲知環境信息，同時賦予其機械靈活性。

而在可穿戴電子產品方面，電子皮膚被認為是可穿戴設備的終極形態。

作為一種可嵌入或覆蓋人體的設備，電子皮膚或將是人體健康最好的風向標。

2020 年，來自科羅拉多大學博爾德分校的研究人員，就開發了一種“真正可穿戴”的電子設備。

這種可穿戴設備不僅可以執行一系列感官任務（比如測量體溫或追蹤日常步數），還可以進行自我修復。 更重要的是，這款可穿戴設備可以被設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、首都醫科大學和中國科學院大學的聯合研究團隊，也開發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，且在皮膚表面經反復變形后也不會脫落。

那么，未來的電子皮膚會是怎樣的？

早在 2020 騰訊科學 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。

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

本文來自微信公眾號 “學術頭條”（ID：SciTouTiao），作者：楊逍，36氪經授權發布。