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好書分享:世界會變成什麼樣?這本書不跟你談未來,而是談現狀,這些改變我們日常的科技「目前的開發進度」

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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。而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。
※本文由大是文化授權,未經允許不得轉載。

 

柔性顯示器,皮膚般服貼、手帕般可折疊

 

文/王輝亮

 

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,是一種具備輕薄、可折疊的電子裝置及其形成的電路技術。

 

 

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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:電晶體(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。

 

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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,估值超過10億美元,發展十分迅速。

 

 

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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。而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,甚至可以針對疾病進行有效的治療,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,將各種感測器製備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。

 

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。

 

 

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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,如何將電極運送到目標細胞,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。

 

 

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能量轉化裝置

 

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。

 

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作者簡介

本書作者為來自矽谷一線的15位「技術咖」,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等,他們致力於科學、醫學、生物學等研究,希望以矽谷為首,將在世界各地發展的黑科技,及黑科技背後的故事與更多人分享。

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