科學(xué)家解決MicroLED巨量轉(zhuǎn)移難題，實(shí)現(xiàn)柔性化一體化電子皮膚顯示

視覺交互是人類感知信息最直觀和最有效的方式，人工智能（AI）、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等全新的交互技術(shù)極大地拓展了人類感知，正推動(dòng)虛擬世界與物理世界的融合。

同時(shí)，生物安全性是深度人機(jī)交互的基礎(chǔ)，合成生物電子系統(tǒng)和植入式柔性電子技術(shù)為生命科學(xué)變革提供更加便捷和智能的健康管理方案。

視覺與生物電子的多模態(tài)交互將為人類提供超感知，并為通信、醫(yī)療和智能工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域帶來革命性的創(chuàng)新與應(yīng)用前景。

因此，具有高柔性和生物相容性的電子皮膚顯示設(shè)備成為亟待解決的研究課題。

在近期一項(xiàng)研究中，研究人員解決了顯示終端和供能終端與肌膚的全柔性貼合難題，并解決了 MicroLED （Micro Light Emitting Diode，微發(fā)光二極體）的巨量轉(zhuǎn)移和電路的可拉 伸難題，最終實(shí)現(xiàn)了具有生物安全性的全柔性化一體化電子皮膚顯示。

日前，相關(guān)論文以《MicroLED 和水凝膠電池?zé)o縫集成的全柔性一體電子顯示皮膚》（Fully Flexible All-in-One Electronic Display Skin with Seamless Integration of MicroLED and Hydrogel Battery）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials[1]。牛嘉楠和白雪是共同第一作者，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源所胡衛(wèi)國(guó)研究員擔(dān)任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）

在牛嘉楠眼中，光與影的變幻仿佛是操縱著視覺的魔術(shù)，小時(shí)候他就對(duì)此深深著迷。

圖 | 牛嘉楠（來源：牛嘉楠）

小時(shí)候，牛嘉楠常常思索：未來是否可以創(chuàng)造出一種“電子皮膚”，不僅能根據(jù)需求自由變換顏色和特性，還能為人類提供超感官體驗(yàn)？長(zhǎng)大之后，他終于有了實(shí)現(xiàn)愿望的機(jī)會(huì)。

前不久，他和所在團(tuán)隊(duì)設(shè)定了開發(fā)全柔性、生物兼容的電子皮膚顯示設(shè)備的目標(biāo)。

這種設(shè)備不僅能夠滿足視覺信息交互的需求，還可以緊密貼附于肌膚表面并保證生物安全性。

確定這一方向之后，他們專注于 MicroLED 顯示器、電路和電池的柔性化技術(shù)路徑，最終設(shè)計(jì)出了柔性一體化的系統(tǒng)集成方案。

在顯示器部分他們采用了自己研發(fā)的氣相轉(zhuǎn)移法，將 10000 顆 MicroLED 芯片高效地轉(zhuǎn)移到柔性基底上，從而實(shí)現(xiàn)了超薄、高分辨率的顯示效果。

電路部分則使用了 3D 打印技術(shù)，制造出透明且具備高拉伸性的柔性電路，使其在彎曲和拉伸狀態(tài)下依然能夠保持穩(wěn)定的電性能。

然后，他們選擇了具有生物相容性的水凝膠作為電池材料，確保其電學(xué)輸出性能和良好的柔性。

通過此，研究小組將這些關(guān)鍵組件集成到一個(gè)完整的系統(tǒng)中，成功開發(fā)出全柔性一體化電子皮膚顯示器。

隨后，他們對(duì)各組件及其集成系統(tǒng)進(jìn)行了多方面的測(cè)試評(píng)估。MicroLED 顯示器厚度僅為真皮層十分之一，發(fā)光表現(xiàn)十分優(yōu)秀。

可拉伸電路板的電導(dǎo)率達(dá)到 8.5×10 6 Sm -1 ，具有大于 94% 的透光率，同時(shí)還展現(xiàn)了出色的機(jī)械耐久性。

水凝膠電池最大比容量為 331.3mAhg -1 ，即使在彎曲狀態(tài)下也能保持穩(wěn)定輸出。

集成后的全柔性一體化顯示系統(tǒng)表現(xiàn)出極佳的光電性能和機(jī)械穩(wěn)定性，能緊密貼合皮膚。

即使在循環(huán)彎曲下仍能保持穩(wěn)定的光電連接，充放電時(shí)溫度低于人體體溫，這證明其具備優(yōu)越的生物安全性和應(yīng)用前景。

若該技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，它將在未來幾年內(nèi)廣泛應(yīng)用于有關(guān)視覺交互的多個(gè)領(lǐng)域。

其一，在信息電子領(lǐng)域，全柔性一體化電子皮膚顯示將無機(jī)與有機(jī)深度結(jié)合，憑借其輕便、可折疊的特性，替代現(xiàn)有的剛性顯示方案。

特別是在智能信息終端中，全柔性顯示技術(shù)不僅能夠提高設(shè)備的顯示性能，還可以實(shí)現(xiàn)更個(gè)性化、靈活的交互體驗(yàn)。

其二，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)是人類進(jìn)入未來虛擬世界的入口。

超柔性、輕薄、高效的 MicroLED 顯示不僅可以減少設(shè)備的重量，還能提高視覺質(zhì)量和續(xù)航能力，從而構(gòu)建出更智能和更具沉浸感的人與虛擬環(huán)境交互場(chǎng)景，推動(dòng)娛樂、教育和工業(yè)仿真等領(lǐng)域的發(fā)展。

其三，在醫(yī)療健康領(lǐng)域，電子皮膚顯示系統(tǒng)可以與生物系統(tǒng)深度融合。一體化植入式生物電子顯示將為失能人士彌補(bǔ)感知能力，提供智能視覺輔助，為健康人士提供超感虛擬交互。

其四，還可以在系統(tǒng)中集成智能貼片，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生理信號(hào)，如心率、體溫和血壓等。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，柔性智能終端、人機(jī)虛擬交互、多模態(tài)生物電子和工業(yè)智能監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域也將受益于這種全柔性一體化顯示技術(shù)，為未來的智能生活提供更多可能。

在未來的研究中，課題組計(jì)劃進(jìn)一步提升系統(tǒng)柔性和引入更具生物相容性的材料，以便能夠更加精準(zhǔn)和安全地與皮膚融合，實(shí)現(xiàn)植入式應(yīng)用。

接下來，他們還計(jì)劃進(jìn)一步提升集成度，將溫度和心率傳感器集成到現(xiàn)有的柔性顯示系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)體溫、心率等生理數(shù)據(jù)，尤其適合殘障或慢性病等需要長(zhǎng)期健康管理的用戶群體。

最后，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃與虛擬交互技術(shù)相結(jié)合，提供人與虛擬世界無縫連接的通道，以人工智能為基礎(chǔ)真正實(shí)現(xiàn)智能超感多模態(tài)系統(tǒng)。

參考資料：

1.Niu, J., Bai, X., Wang, J., Chen, Y., Zhao, B., Sha, W., ... & Hu, W. (2024). Fully Flexible All‐in‐One Electronic Display Skin with Seamless Integration of MicroLED and Hydrogel Battery.Advanced Functional Materials, 2411916.