矽谷「黑科技」:皮膚般服貼、手帕般可折疊的「柔性顯示器」來了

矽谷「黑科技」:皮膚般服貼、手帕般可折疊的「柔性顯示器」來了
Arizona State University and HP's flexible display demonstrated in 2008 at the university's Flexible Display Center|Photo Credit: U.S. Army RDECOM@Wikimedia Commons CC BY 2.0
我們想讓你知道的是

讓我們先來發揮一下想像力:電腦顯示器可以像手帕一樣,折疊塞進口袋;要兩個壯漢才能搬動的大螢幕電視,一個人便可以像捲海報那樣輕鬆的拎回家。這些看似非同尋常的憧憬,其實都可以透過柔性電子學變成觸手可及的現實。

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文:王輝亮

柔性顯示器,皮膚般服貼、手帕般可折疊

讓我們先來發揮一下想像力:電腦顯示器可以像手帕一樣,折疊塞進口袋;要兩個壯漢才能搬動的大螢幕電視,一個人便可以像捲海報那樣輕鬆的拎回家;遭遇不測而無法恢復的皮膚,可以換成全新的人造皮膚,不僅和原來一樣健康美觀,還能感受到極其微小的壓力;將一塊小小的薄片貼在皮膚上,不僅可以隨時檢測自己身體的健康狀況,而且日常生活中的每一個微小動作,例如走路、開車、打字,甚至心臟的跳動,都可以轉換成電能。

這些看似非同尋常的憧憬,其實都可以透過柔性電子學變成觸手可及的現實。柔性電子學又稱柔性電路,是一種輕薄、可折疊的電子裝置及其電路技術。

柔性顯示來了

在介紹柔性顯示器前,我們先了解顯示器的兩個基本電子裝置:電晶(transistor)和發光二極體(light emitting diode)。電晶體就像一道神奇的閥門,可以根據輸入電壓控制輸出電流。我們平時所用的開關就是電晶體的應用之一,電晶體是所有積體電路最基本的組成部分。

很多人或許沒有聽過發光二極體,但提起它的另一個名字LED,相信大家一定不會覺得陌生。相較於傳統的鎢絲燈泡,LED光源明亮穩定、能節約能源,而且透過加入不同的物質,可以呈現出不同的色彩,完全顛覆我們對照明的認知。

北京奧運的標誌性建築「水立方」,就是利用LED光源,變幻出各種色彩和圖案。奧妙在於LED透過電壓控制裝置發出強弱不同的光,而特定的材料會吸收特定的光,從而透過材料的選擇改變發出光的顏色(波長)。

顯示器有兩種驅動方法:被動矩陣式和主動矩陣式。被動矩陣式是採用X軸和Y軸的交叉方式來驅動發光二極體,這種方式驅動的螢幕越大,需要的線路就越多,速度也就越慢,而且像素之間會有電信號干擾,從而影響畫面品質。

主動矩陣式的顯示器是由前面提到的電晶體和發光二極體組成,顯示區域的每一個顯示點都由一個電晶體控制,幾根線路就可以快速控制非常龐大的螢幕,顯示點之間的電信號干擾會大幅減少,耗費能源也會更低。

傳統的電晶體和發光二極體,都是由無機半導體材料組成的,而柔性電路採用的裝置,則主要是有機半導體材料。這種材料於1960年代被發現,以碳元素為主,也包括氫、氮、氧等元素。自1980年代第一個用有機材料做出的有機發光二極體(OLED)和有機電晶體(Organic transistor)誕生,研發人員就產生用有機材料做柔性電子裝置的想法。

OLED顯示主要依靠透明電極,這些電極不但導電,還能讓顯示器發出的光透出去。傳統的透明電極材料叫做ITO,是一種陶瓷材料,一彎曲就很容易破碎。矽谷的C3Nano公司則選用導電奈米材料來實現這個目標,由於奈米材料可透過溶液來處理和列印,所以製備成本也會降低不少。

研究的碳奈米材料主要包括:奈米碳管(carbon nanotubes)、富勒烯(C60)和石墨烯(graphene)。2015年,C3Nano收購了韓國最大的銀奈米線公司(Aiden Co. Ltd),開始使用銀奈米線製作透明電極。2015年6月,日立公司(Hitachi)已開始使用C3Nano的透明電極材料,用於研發大面積柔性觸摸顯示器。

除了日立公司,不少公司都開始展示柔性顯示器產品,包括Plastic logic、三星、LG等。其中柔性顯示器做得最輕、最薄的,是一家叫做柔宇科技(Royole)的公司,是由史丹佛大學畢業生劉自鴻博士領導的團隊創建。

這家公司做出來的顯示器只有0.01毫米,捲曲半徑可以達到1毫米,刷新了世界紀錄。在一次展示中,由手機控制的影像,就在這個薄如蟬翼的顯示器中播放,沒有一絲缺陷。2015年10月,中國總理李克強還親自參觀他們的研發中心。這家公司最近一次融資高達1.7億美元,市值超過10億美元,發展十分迅速。

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Photo Credit: 大是文化
柔性螢幕示意圖。
柔性器材:醫學監測、診斷和治療

柔性裝置在生物醫學方面也有非常廣泛的應用。對人體外部檢測而言,刺激大腦電信號或心臟律動的傳統方法,是將電極接合在導電凝膠中,然後貼在人體表面。這種方法有許多不足。例如,由於凝膠會逐漸乾燥,失去黏性,所以不能長時間、連續的檢測;與人體體表面接合較差,易滑落;舒適度偏低,尤其對低齡患者使用較困難;將電極接合的過程也相對繁瑣、費時。

而柔性裝置可以解決這些問題。柔軟輕薄的柔性裝置,可以緊密貼合在皮膚、心臟或大腦上面,從而透過對電學或壓力訊號的檢測,獲取更準確的身體資訊。並且人體佩戴的體感較好,不會有明顯的不適。人們甚至可以24小時佩戴這些薄如蟬翼的裝置,隨時監測人體的心跳、脈搏、血壓、腦電波、心電圖等各種身體指標。長時間隨時監測,對心腦血管疾病的診斷、預防和及時治療意義重大。如果在裝置中安裝藥物,甚至可以針對疾病有效的治療,例如糖尿病病人可以佩戴定期釋放胰島素的柔性材料。

伊利諾大學香檳分校的教授約翰.羅傑斯(John Rogers),是這個領域的翹楚。他運用柔性電路的製備方法,將各種感測器裝在一個可以貼在皮膚上的超薄貼紙上,用於測量身體各項指標。他還在2008年成立了坐落於波士頓的MC10公司,致力於研發推廣舒適、安全和與人體皮膚緊密接合的檢測性產品。

MC10公司的其中一項研究,是與萊雅化妝品公司合作研製的高靈敏度可穿戴皮膚檢測貼片,其電路由金屬細絲製成,與柔性材料交織,佩戴時甚至不會感覺到它的存在,可以佩戴幾週,洗澡、游泳也不會脫落,訊號的準確性也不會受到影響。

此貼片所有檢測訊號,可以透過藍牙傳送到電腦或智慧型手機上,例如血液流動引起的肌膚溫度的變化——充足的血液流通,是肌膚健康的標誌性指標,還有皮膚的含水量——這可是檢驗絕大多數美容產品的標誌性指標。

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Photo Credit: 大是文化
柔性電路貼合在人體皮膚示意圖。

這種檢測貼片可以幫助萊雅公司,研發深度補水乳液和清爽型潤膚霜等諸多產品,這對廣大愛美的女性同胞來說絕對是福音。想像一下,你可以24小時追蹤自己的皮膚含水量,用直觀的數據檢測不同美容產品的效果,針對自己的皮膚狀況,選擇適合自己的產品和使用量。它還可以檢測皮膚症狀,這對敏感性皮膚的顧客更是救星。

對植入人體的裝置來說,柔性裝置具有更大的優越性。為了治療一些嚴重的神經系統疾病,如帕金森氏症、癲癇或抑鬱症,醫生需要用外部電信號來刺激大腦神經元,使其恢復功能,也就是令人聞風喪膽的電療。

另一種方法,是將檢測電路運送到大腦深處的目標細胞,進行深腦刺激。這些傳統方法使用的是金屬製成的電極,但堅硬的金屬刺穿皮質,會導致正常細胞受損或死亡,副作用非常大。與此相比,柔性材料就展現其優越性,柔軟材料製成的電極在刺穿過程中,會減少對正常腦細胞的損傷。

柔性電極也可以運用到癱瘓或失去手臂的病人中,如果將柔性電極植入腦中讀取訊號,就可以控制機械肢體。

由於柔性電極非常軟,所以如何將電極運送到目標細胞,就成為科學家的研究重點。目前有三種運輸方法:第一種是把柔性裝置用可溶解的膠,黏在一個堅硬的物體表面,將其運送到目標細胞(例如注射用的針頭),待膠完全溶解後,取出堅硬的物體即可。

第二種是把極軟的柔性電路放進注射器中,像打針那樣,將柔性電路注射到目標細胞,且針管還可以同時傳輸液態藥物或細胞,使其共同作用。

第三種方法則是將柔性電路冷凍,使其變得堅硬,就可以直接刺穿人體細胞到達目標細胞,再透過人體體溫溶解發揮作用,整個過程並不影響其靈敏度和測量的準確度。第二種和第三種方法都是由奈米界領軍人物——哈佛大學的查爾斯.利伯(Charles Lieber)教授的團隊在2015年發表。

此外,使用表面積更大的奈米材料做成的電極,阻抗更小,所以電極能記錄更微小的訊號。表面積大的材料還擁有更高電容值,這樣用更小的電壓,就達到刺激神經的效果。傳輸到深腦的電極,通常需要一個和外部儀器連接的電線,最新的技術可以透過無線電的方法,在體外刺激神經或者接收檢測到的訊號。

近幾年,隨著柔性材料的不斷發展,許多柔性裝置都使用可降解材料製作,還可以透過材料控制裝置的降解時間,訊號收集完畢後在人體內自行降解,使病人免受二次手術之苦。

人造皮膚:用於人,用於機器人

手指接近火苗,感到灼熱刺痛的瞬間縮回,這看似簡單的動作,卻包含大量人體神經細胞的精準運作。我們的皮膚是人體感知系統的第一道大門,皮膚下遍布神經細胞網路,皮膚感受到的壓力有任何細微的變動,都會透過神經細胞樹突和軸突間的聯繫,將訊號傳入神經中樞,送達大腦,讓我們迅速做出反應。

皮膚的這種感知功能可以用感測器模擬。從1990年代起,科學家就開始研發柔性裝置做感測器,近幾年,柔性感測器更有了非常迅速的發展。對製作電子人造皮膚的材料來說,有兩點非常重要:一是要求材料對壓力的敏感度很高,即便是非常細小的變化,也可以被感知;二是要求材料具有較高的彈性,不但能經受彎曲,還能被拉伸。

在這個領域,史丹佛大學的鮑哲南教授和其所帶領的團隊取得了多項突破。他們發現用一列金字塔形結構的介電質(dielectric)可以提高電子皮膚的敏感度。即使只有很小的壓力也能改變介電質的厚度,從而改變電晶體的電流。

應用這項技術製成的壓力感測器,敏感度創歷史新高,即使一隻蝴蝶或蒼蠅落在上面,該壓力感測器也能感受到。同時這種感測器還能貼在手腕上檢測脈搏,可望以後應用在疾病診斷領域。此外這種壓力感測器的反應速度也極快(<10毫秒),比沒有用這種金字塔結構的同種材料快100倍。為了提高電子皮膚的拉伸能力,他們把奈米碳管提前拉伸,這樣回歸原位時會形成彎曲的結構,再次拉伸時,該材料的導電能力不會有太大的變化。

有了感知功能的人造皮膚越來越逼真,然而還缺少人體皮膚的自我修復能力。即使是柔性電子裝置,也很難實現這個自然界的奇蹟。鮑教授的團隊卻發現一種能自我修復的有機材料,加入導電的奈米材料改造後,不僅可以當作導電的壓力感測器,還有自我修復的能力。

材料被切斷後,完全喪失了導電能力,但過一段時間後,顯微鏡下被切斷的材料外表不但能完全修復,導電能力基本上也能恢復如初。這種材料受到壓力後,奈米顆粒之間的距離會減小,導電性發生變化,因此對壓力也有很高的敏感度。

人造皮膚的研究,並不止步於讓皮膚承受的壓力轉化為電流,終極目標是讓這種感知上傳到人的中樞神經,讓使用義肢的人們真正恢復觸覺。我們的皮膚能感受到壓力,是因為一種感受神經元上有機械性刺激感受器,而那些使用義肢的人早已失去這些感受神經元。

2015年,鮑教授的團隊聯合史丹佛著名的神經學家卡爾.代塞爾羅思(Karl Deisseroth)課題組,在《科學》(Science)雜誌上,發表有機械性刺激感受器功能的電子裝置,它是用有機電子材料和奈米材料製成,能把壓力轉化成不同頻率的電子訊號和光學訊號,並且讓神經元真正感受到。

柔性電子裝置還可以應用於製作人造器官。無論對失去某些器官的人類還是機器人而言,這一點都非常重要。例如,人造眼其實就是一個柔性感光感測器的陣列,人造鼻就是一個非常精巧的氣體感測器,而人造舌頭則是一個能感覺出酸甜苦辣的液體感測器。透過應用不同材料,這些感測器甚至可以感受到人體器官感知不到的元素。而擁有這些超級器官的機器人,甚至能感受到空氣中的汙染物質、食物飲料中的營養成分,還能「看到」除了可見光以外的其他波長。

能量轉化裝置

如今能源問題日漸明顯,所以研究如何利用新能源、如何進行能量採集,就變得很重要。如果使用柔性材料製作能源轉化裝置,將能極大提高能源利用率,顛覆我們的生活。

相信大家對摩擦生電都不陌生,一種材料比較容易失去電子,另一種材料比較容易得到電子,有這兩種特性的材料互相摩擦就可以帶電。

當兩種材料接觸在一起時,正負電荷中心在同一個平面,處於中和狀態,則對外不顯電性。

如果施加一個外界機械力,使得兩種材料分離,正負電荷就會永久保留在材料上面,兩種材料之間就會形成電場。如果在兩種材料背後分別鍍上一個金屬電極,電場就會使得金屬電極之間的電子發生轉移,從而對外電路形成一個電信號。該原理應用到柔性電路,可以將電信號用來進行各種機械傳感運動。

例如喬治亞理工學院的王中林教授團隊研發的智慧鍵盤,就是其中的代表性應用。由於人的皮膚容易失去電子,如果用容易得到電子的柔性材料製作智慧鍵盤的表面,那麼當手指接觸鍵盤時,就會產生電子轉移——手指帶正電,鍵盤帶負電。如果手指離開鍵盤,就會產生電場變化。這會使智慧鍵盤內部安裝的金屬電極產生電壓。

電壓會使電極之間發生電子轉移,而轉移的數量與手指敲擊鍵盤的力度,和手指與鍵盤的接觸面有著密切的關係,因而可以識別使用鍵盤的對象,若有非授權人士使用這個機器就會觸發警報系統。由於自然界大部分材料都具有容易得到或失去電子的特性,這種器材選材非常廣泛,因而成本低廉,且程序並不複雜,易於推廣。

除了摩擦生電,還有許多原本被浪費的能量,也可以借助柔性裝置轉化為電能。例如柔性材料製作的太陽能電池,基於柔性材料質量輕、貼合度高的特點,可以把它鋪在高低不平的表面上,將太陽能轉換成電能,不僅可以大幅度提高太陽能利用率,而且便於工人攜帶作業,減輕表面承重。

如果我們在書包或露營帳篷上,包一層柔性太陽能電池,就可以利用太陽能幫手機、電腦充電。還有柔性熱電裝置,能透過溫度差,把熱能轉化成電能。柔性裝置包在正在發熱的工廠機器上,或在家家戶戶都使用的廚具上,不僅可以保溫,還能獲得這些原本會被浪費的熱能。柔性裝置還可以安裝在生活中所有有機械運動的地方,例如公路、車輪、運動器材、甚至鞋子,充分利用一切零散的能量。

甚至人體也有許多能量可以被利用,心臟的跳動、運動時體溫升高,都可以透過柔性材料轉化成能量。穿一種超級衣服,在人體運動時造成材料分離,摩擦生電。未來移動電源可能會被淘汰,因為人體本身有望變成一個小型移動發電站,每個人都可以為自己的電子設備供電。

柔性材料究竟如何製成

這一系列神奇的功能究竟如何實現?柔性材料究竟如何製成?這個部分將揭開柔性材料的神祕面紗。傳統的電子裝置和電路,都是用堅硬的半導體材料矽以及金屬導體製成,如果我們想使它們擁有柔性,有四種方法:

第一種方法是選用承受應變(strain)能力強的電子材料。所謂應變,是指物體在外力作用下發生形變。這裡所說的承受應變能力強,是指材料受到拉伸以後,不但自身的結構沒有被破壞,而且電學性能也不會變化。

目前,承受應變能力強的新型電子材料,包括有機的小分子、高分子、奈米碳管、矽奈米線等。這些新型電子材料還有一個特點,就是可以透過溶液進行加工處理,然後用列印的方法把它們製成裝置。與傳統電路的生產技術相比,列印的方法不僅省去繁瑣的生產步驟,提高生產效率,而且生產過程中不需要高溫,還降低了成本。

但大規模生產應用這些新型材料,仍有一些技術問題需要克服,例如說在非真空空氣中和潮溼環境下的穩定性不夠好,合成的過程比較複雜,重複性不高等。

第二種方法是把電子裝置做薄,這個裝置所能承受的應變,主要與捲曲半徑(bending radius)和裝置的厚度有關。如果材料厚度比折疊半徑薄很多,這個材料所承受的應變也就不會那麼大。

例如,一個厚度為1毫米的材料,如果把它彎曲到半徑為1公分,那麼這個材料所受到的應變應該是5%。而如果把這個材料的厚度減小1,000倍,只有1微米的話,把它彎曲到1公分所受到的應變應該就只有0.005%。但我們把裝置做薄,會影響材料和裝置本身的電學性能,技術十分複雜,成本也會隨之增高。另外,大部分傳統半導體材料(矽、砷化鎵、氧化物等)即便受到很小的應變,也很容易折斷。

第三種方法是將一些易碎的電學材料,放在塑膠基底的中間。一般在基底彎曲的情況下,上表面所受到的伸張應變(tensile strain)是最大的,下表面會受到壓縮應變(compressive strain),所以塑膠基底中間的那一部分所受到的應變是最小的。透過這種三明治結構的設計,把關鍵的易碎材料放在塑膠基底的中間,可以提高材料的捲曲半徑,從而達到任意折疊、彎曲的設計目的。

第四種方法則是製作成網眼結構(mesh structure)。比起連續的線性或者平面結構,網眼設計可以在材料彎曲時,讓中間的空洞部分承受大部分的應變。此外,整個結構也會更柔軟,更容易被彎曲。在橫向的連接部分設計一些彎曲結構,甚至是一些凸出來的結構,這樣連接部分底下的塑膠,可以承擔基底彎曲所引起的應變。但這種彎曲的結構會使製作技術變得更加複雜。而且,在同一個空間內,採用網眼結構製成的裝置密度會小很多,所以會影響大量裝置的最終集成。

以上著重介紹的柔性顯示器和人造電子皮膚等技術,只是柔性電子學或柔性電路的一部分。此類技術在能源、醫學、環境、可穿戴設備等領域都有非常廣闊的應用前景。電影中的超級英雄擁有的超能力,正在從銀幕步入現實。

相關書摘 ▶矽谷「黑科技」:指導老師是細菌,開啟基因編輯技術大門的「CRISPR」

書籍介紹

本文摘錄自《矽谷工程師不張揚的破壞性創新:黑科技》,大是文化出版
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作者:來自矽谷一線的15位「技術咖」

如果你念理工科、如果你苦尋不著值得投資的標的、不知上哪接觸新科技人、不知道將來哪個產業鐵定飛躍進步,你必須看這本書!因為:本書彙集當世最重要新民生科技發展進度,讓你震驚的是:每一項重大創新,都有中國科學家參與。警醒吧。

  • 豈止懸浮滑板,連住宅都能漂浮地表上,人類再也不受地震和水災威脅。
  • 感測器能小得如沙粒般,地震、搜救(還有健檢)再也不費時費力。
  • 兩個壯漢才搬得動的大螢幕電視,以後一個人便可像捲海報那樣拎回家。
  • 萬物互聯,感知彼此,星際大戰單機指揮千軍萬馬的場面,不再是特效。

「黑科技」一詞,起源於日本輕小說《驚爆危機》中登場的術語,原意指非人類自力研發,淩駕於現有科技之上的知識。現則多用以形容先進的科技、技術、產品。

本書作者為來自矽谷一線的15位「技術咖」,他們當中有前谷歌X實驗室成員、蘋果、亞馬遜工程師、史丹佛大學電子工程博士……展現將改變我們未來生活的「黑科技」。哪些「黑科技」取代了現有的工作、生活型態,是危機也是商機。

矽谷工程師不張揚的破壞性創新:黑科技
Photo Credit: 大是文化

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航

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