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

視覺(jué)交互是人類(lèi)感知信息最直觀(guān)和最有效的方式，人工智能（AI）、云計算、虛擬現實(shí)/增強現實(shí)等全新的交互技術(shù)極大地拓展了人類(lèi)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交互的基礎，合成生物電子系統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(jué)與生物電子的多模態(tài)交互將為人類(lèi)提供超感知，并為通信、醫療和智能工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)革命性的創(chuàng )新與應用前景。

因此，具有高柔性和生物相容性的電子皮膚顯示設備成為亟待解決的研究課題。

在近期一項研究中，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）的巨量轉移和電路的可拉 伸難題，最終實(shí)現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 和水凝膠電池無(wú)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，中國科學(xué)院北京納米能源所胡衛國研究員擔任通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Functional Materials）

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

圖 | 牛嘉楠（來(lái)源：牛嘉楠）

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

前不久，他和所在團隊設定了開(kāi)發(fā)全柔性、生物兼容的電子皮膚顯示設備的目標。

這種設備不僅能夠滿(mǎn)足視覺(jué)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(zhuān)注于 MicroLED 顯示器、電路和電池的柔性化技術(shù)路徑，最終設計出了柔性一體化的系統集成方案。

在顯示器部分他們采用了自己研發(fā)的氣相轉移法，將 10000 顆 MicroLED 芯片高效地轉移到柔性基底上，從而實(shí)現了超薄、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(guò)此，研究小組將這些關(guān)鍵組件集成到一個(gè)完整的系統中，成功開(kāi)發(fā)出全柔性一體化電子皮膚顯示器。

隨后，他們對各組件及其集成系統進(jìn)行了多方面的測試評估。MicroLED 顯示器厚度僅為真皮層十分之一，發(fā)光表現十分優(yōu)秀。

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

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

集成后的全柔性一體化顯示系統表現出極佳的光電性能和機械穩定性，能緊密貼合皮膚。

即使在循環(huán)彎曲下仍能保持穩定的光電連接，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用前景。

若該技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，它將在未來(lái)幾年內廣泛應用于有關(guān)視覺(jué)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(wú)機與有機深度結合，憑借其輕便、可折疊的特性，替代現有的剛性顯示方案。

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

其二，增強現實(shí)/虛擬現實(shí)是人類(lèi)進(jìn)入未來(lái)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備的重量，還能提高視覺(jué)質(zhì)量和續航能力，從而構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(lè )、教育和工業(yè)仿真等領(lǐng)域的發(fā)展。

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

其四，還可以在系統中集成智能貼片，實(shí)時(shí)監測生理信號，如心率、體溫和血壓等。

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

在未來(lái)的研究中，課題組計劃進(jìn)一步提升系統柔性和引入更具生物相容性的材料，以便能夠更加精準和安全地與皮膚融合，實(shí)現植入式應用。

接下來(lái)，他們還計劃進(jìn)一步提升集成度，將溫度和心率傳感器集成到現有的柔性顯示系統中，能夠實(shí)時(shí)監測體溫、心率等生理數據，尤其適合殘障或慢性病等需要長(cháng)期健康管理的用戶(hù)群體。

最后，該團隊計劃與虛擬交互技術(shù)相結合，提供人與虛擬世界無(wú)縫連接的通道，以人工智能為基礎真正實(shí)現智能超感多模態(tài)系統。

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.