前不久，華為首款折疊屏手機一經(jīng)發(fā)布便成了人們熱議的焦點。四四方方、堅硬、不可扭轉(zhuǎn)的屏幕如何做到折疊？其實，折疊屏只是柔性屏的一種，是在柔性電子技術(shù)的積累上發(fā)展而來——無論在外形還是功能上都將不斷刷新人們的認知，帶來全新體驗。
生活中，柔性電子可不只折疊屏。未來，從手機、平板電腦、電視這些日用電子產(chǎn)品開發(fā)，到醫(yī)療、信息、能源、國防等多領(lǐng)域發(fā)展，柔性電子都將一展身手。在日前舉行的第二屆柔性電子國際學(xué)術(shù)大會期間，由中國科協(xié)推出的“科學(xué)麻辣燙”沙龍活動聚焦柔性電子技術(shù)發(fā)展，邀請多位行業(yè)專家學(xué)者共話柔性電子將如何改變?nèi)祟愇磥怼?/p>
“以柔化剛”助力萬物互聯(lián)
“人機交互”是一個有魔力的詞語，它生動詮釋了從人類適應(yīng)計算機到計算機不斷適應(yīng)人類的發(fā)展過程。目前，科學(xué)家們正試圖以柔性電子器件為媒介，建立人與外界之間的信息傳輸系統(tǒng)。
而柔性電子概念的提出，可追溯到對有機電子學(xué)的研究，大約起步于上世紀80年代，人們試圖用有機半導(dǎo)體替代硅等無機半導(dǎo)體，從而使有機電子器件具備柔性特點。
2006年，科學(xué)界首次提出了可延展無機柔性電子的概念，并實現(xiàn)在脆性硅薄膜不改變其電子學(xué)性能的情況下具有柔性和延展性。隨后又衍生出一些優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得電子器件的機械性能更加優(yōu)良，可以承受拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等復(fù)雜變形。
針對目前市場上種類繁多的折疊屏手機產(chǎn)品，清華大學(xué)材料學(xué)院副院長沈洋認為，屏幕對折主要得益于顯示材料的柔性化。但折疊屏手機還不夠“柔”，因為每部手機中都有幾百個關(guān)鍵電子元器件，這些器件依然是硬質(zhì)的。“未來，如果這些電子元器件的柔性化程度足夠高，手機不僅能對折，還能卷曲甚至完全折疊。”
“以柔化剛”打造電子器件應(yīng)用新形態(tài)。“柔性電子技術(shù)可以改變傳統(tǒng)信息器件、系統(tǒng)的剛性物理形態(tài)，實現(xiàn)信息獲取、處理、傳輸、顯示以及能源的柔性化。”清華大學(xué)柔性電子技術(shù)研究中心主任馮雪表示，柔性電子將推動信息與人、物體、環(huán)境的高效共融，有助于構(gòu)建“萬物皆互聯(lián)”的新時代。
馮雪告訴記者，柔性電子技術(shù)已在生物醫(yī)療領(lǐng)域開展了非常重要的應(yīng)用，包括無創(chuàng)血糖測量、光電血氧傳感器、坐骨神經(jīng)電信號采集、類皮膚柔性變形傳感器、碳納米纖維泡沫柔性壓力傳感器、類皮膚柔性壓力傳感器等系列柔性醫(yī)療電子產(chǎn)品，等等。
電子“創(chuàng)可貼”不是夢
科幻電影里，時常出現(xiàn)給人體植入芯片，從而達到操控人體行為的橋段。而如果將芯片像創(chuàng)可貼一樣貼在皮膚上，不對人體造成傷害，你會接受嗎？柔性電子技術(shù)的發(fā)展將這一大膽想法照進現(xiàn)實——沒有傷口，就能應(yīng)用于醫(yī)療感知并獲取大量身體信號和數(shù)據(jù)。
“比如對糖尿病人來說，血糖監(jiān)測是治療中的一個重要環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)方法是扎手指，每天都要扎好幾次。而我們可以利用柔性電子技術(shù)，只要貼在皮膚表面就能驅(qū)動血管之間的葡萄糖流動并開展監(jiān)測。”馮雪說。
馮雪介紹，清華大學(xué)柔性電子技術(shù)團隊已設(shè)計和大規(guī)模制備出價格低廉、且能夠監(jiān)測人體體溫和心電信息的柔性電子器件。它形似創(chuàng)可貼的膠片里鑲嵌可彎曲的監(jiān)測芯片，貼附在人體表面，可將生理指標(biāo)無線上傳至手機應(yīng)用或云端，讓使用者快捷方便了解身體信息，并可以反復(fù)使用，目前已通過國家藥監(jiān)局和歐盟CE認證。
諸如此類的柔性電子集成器件，融合了有機半導(dǎo)體和無機半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使無機半導(dǎo)體器件具有可拉伸、可彎曲等變形特點，同時兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)無機集成器件和電路的高性能、高可靠性。“通過集成探測溫度、應(yīng)變、加速度等傳感元件在柔性電子器件上，就好比‘人體聯(lián)網(wǎng)’，可實現(xiàn)對體征信息的獲取；未來，還需要突破可靠的制備工藝、動態(tài)耐受性等技術(shù)挑戰(zhàn)。”新加坡南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授陳曉東說。
“這種新型電子器件的剛度比人體組織要小很多，因此貼附到人體組織上后，不會造成人體的不適感。”北京航空航天大學(xué)固體力學(xué)研究所副教授李宇航指出，可延展性能正是柔性電子獨到的力學(xué)特性，由于人體器官組織的表面形貌異常復(fù)雜，如果器件不具有可延展性，是無法貼附在柔軟組織上的，而這一點傳統(tǒng)導(dǎo)線并不具備。
據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，到本世紀中期，中國將有近5億人口超過60歲。對于人體健康的關(guān)切，成為未來社會需求的重要方向。特別是針對老年人慢性疾病和嬰幼兒體征的實時監(jiān)測，成為這種新型醫(yī)療器件的重要應(yīng)用方向。
測量血壓、血糖的“創(chuàng)可貼”，檢測生理指標(biāo)的衣服、可以監(jiān)測尿液的紙尿褲、人工肌肉……這些智能化可穿戴設(shè)備的制造都將通過柔性電子技術(shù)實現(xiàn)。人們還可以通過遠程醫(yī)療的方式開展身體健康監(jiān)測，降低醫(yī)療成本，普惠大眾。
“采用柔性芯片技術(shù)可以設(shè)計出更加輕薄柔軟的電子感知系統(tǒng)，它們能夠與機器人或人體更好貼合，對環(huán)境的感知也將變得更加靈敏。”柔性電子與智能技術(shù)全球研究中心柔性芯片技術(shù)研發(fā)團隊負責(zé)人王波表示，柔性芯片將持續(xù)對人工智能和醫(yī)療等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。
集聚多學(xué)科智慧協(xié)力攻堅
如今，柔性電子技術(shù)已成為世界范圍內(nèi)電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。“澳大利亞的柔性電子技術(shù)研究主要集中在太陽能電池領(lǐng)域，利用柔性電子技術(shù)實現(xiàn)印刷，并打印成太陽能電池等產(chǎn)品。”澳大利亞昆士蘭大學(xué)教授、澳大利亞科學(xué)院院士保羅·伯恩認為，柔性電子技術(shù)的發(fā)展需要不同學(xué)科的人相互學(xué)習(xí)，求同存異，以促進更多合作、促成更多創(chuàng)新及研究成果。
就在本屆大會上，柔性電子與智能技術(shù)全球研究中心研發(fā)團隊還發(fā)布了兩款可任意卷曲彎折的超薄柔性芯片。兩款芯片厚度均小于25微米，不到一根頭發(fā)絲直徑的四分之一。
研發(fā)人員在現(xiàn)場演示了由兩款柔性芯片組成的柔性微系統(tǒng)功能。兩款柔性芯片分別是運放芯片和藍牙SoC芯片，其中運放芯片能夠?qū)δM信號進行放大處理，而藍牙SoC芯片則集成了處理器和藍牙無線通信功能。與傳統(tǒng)芯片相比，最新發(fā)布的柔性芯片不僅非常薄，而且柔韌度很好。拿在兩根手指之間，輕輕一捏，柔性芯片就會彎成弧形但不會損壞。
不過馮雪指出，柔性電子技術(shù)發(fā)展目前還處于起步階段，其最大的特點是多學(xué)科交叉，將不同行業(yè)、不同學(xué)科的人吸引在一起，通過彼此碰撞以提供不同思路及問題解決方案。
在陳曉東看來，未來柔性傳感器還將占據(jù)5G時代發(fā)展的重要位置，“把設(shè)備做成可彎曲、可延展的狀態(tài)，戴在身上、手臂上沒有任何感覺，并且可以呈現(xiàn)關(guān)于人體信息的所有數(shù)據(jù)，這是科學(xué)家對未來柔性傳感器更高的境界和追求”。
對此，柔性電子技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心與清華大學(xué)柔性電子技術(shù)研究中心共同發(fā)起成立Flex.net學(xué)術(shù)聯(lián)盟。該聯(lián)盟整合了各方優(yōu)勢資源和創(chuàng)新力量，下一步將通過共建、共享、共用，構(gòu)建柔性電子技術(shù)產(chǎn)學(xué)研生態(tài)系統(tǒng)，大力推進柔性電子技術(shù)從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。
