參觀者在第58屆柏林國(guó)際消費(fèi)電子展上體驗(yàn)柔性OLED電視。（新華社發(fā)）
在第二屆柔性電子國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)上，研發(fā)人員現(xiàn)場(chǎng)展示可任意卷曲彎折的超薄柔性芯片。周 燁攝
前不久，華為首款折疊屏手機(jī)一經(jīng)發(fā)布便成了人們熱議的焦點(diǎn)。四四方方、堅(jiān)硬、不可扭轉(zhuǎn)的屏幕如何做到折疊？其實(shí)，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(lái)——無(wú)論在外形還是功能上都將不斷刷新人們的認(rèn)知，帶來(lái)全新體驗(yàn)。
生活中，柔性電子可不只折疊屏。未來(lái)，從手機(jī)、平板電腦、電視這些日用電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，到醫(yī)療、信息、能源、國(guó)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(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)期間，由中國(guó)科協(xié)推出的“科學(xué)麻辣燙”沙龍活動(dòng)聚焦柔性電子技術(shù)發(fā)展，邀請(qǐng)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?lái)。
“以柔化剛”助力萬(wàn)物互聯(lián)
“人機(jī)交互”是一個(gè)有魔力的詞語(yǔ)，它生動(dòng)詮釋了從人類適應(yīng)計(jì)算機(jī)到計(jì)算機(jī)不斷適應(yīng)人類的發(fā)展過(guò)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(duì)有機(jī)電子學(xué)的研究，大約起步于上世紀(jì)80年代，人們?cè)噲D用有機(jī)半導(dǎo)體替代硅等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，從而使有機(jī)電子器件具備柔性特點(diǎn)。
2006年，科學(xué)界首次提出了可延展無(wú)機(jī)柔性電子的概念，并實(shí)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(jì)，使得電子器件的機(jī)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(duì)目前市場(chǎng)上種類繁多的折疊屏手機(jī)產(chǎn)品，清華大學(xué)材料學(xué)院副院長(zhǎng)沈洋認(rèn)為，屏幕對(duì)折主要得益于顯示材料的柔性化。但折疊屏手機(jī)還不夠“柔”，因?yàn)槊坎渴謾C(jī)中都有幾百個(gè)關(guān)鍵電子元器件，這些器件依然是硬質(zhì)的。“未來(lái)，如果這些電子元器件的柔性化程度足夠高，手機(jī)不僅能對(duì)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(shí)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(dòng)信息與人、物體、環(huán)境的高效共融，有助于構(gòu)建“萬(wàn)物皆互聯(lián)”的新時(shí)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(kāi)展了非常重要的應(yīng)用，包括無(wú)創(chuàng)血糖測(cè)量、光電血氧傳感器、坐骨神經(jīng)電信號(hào)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(mèng)
科幻電影里，時(shí)常出現(xiàn)給人體植入芯片，從而達(dá)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(duì)人體造成傷害，你會(huì)接受嗎？柔性電子技術(shù)的發(fā)展將這一大膽想法照進(jìn)現(xiàn)實(shí)——沒(méi)有傷口，就能應(yīng)用于醫(yī)療感知并獲取大量身體信號(hào)和數(shù)據(jù)。
“比如對(duì)糖尿病人來(lái)說(shuō)，血糖監(jiān)測(cè)是治療中的一個(gè)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(dòng)血管之間的葡萄糖流動(dòng)并開(kāi)展監(jiān)測(cè)。”馮雪說(shuō)。
馮雪介紹，清華大學(xué)柔性電子技術(shù)團(tuán)隊(duì)已設(shè)計(jì)和大規(guī)模制備出價(jià)格低廉、且能夠監(jiān)測(cè)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(cè)芯片，貼附在人體表面，可將生理指標(biāo)無(wú)線上傳至手機(jī)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(guò)國(guó)家藥監(jiān)局和歐盟CE認(rèn)證。
諸如此類的柔性電子集成器件，融合了有機(jī)半導(dǎo)體和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使無(wú)機(jī)半導(dǎo)體器件具有可拉伸、可彎曲等變形特點(diǎn)，同時(shí)兼?zhèn)鋫鹘y(tǒng)無(wú)機(jī)集成器件和電路的高性能、高可靠性。“通過(guò)集成探測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)體征信息的獲取；未來(lái)，還需要突破可靠的制備工藝、動(dòng)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(shuō)。
“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(huì)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(dú)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(wú)法貼附在柔軟組織上的，而這一點(diǎn)傳統(tǒng)導(dǎo)線并不具備。
據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)，到本世紀(jì)中期，中國(guó)將有近5億人口超過(guò)60歲。對(duì)于人體健康的關(guān)切，成為未來(lái)社會(huì)需求的重要方向。特別是針對(duì)老年人慢性疾病和嬰幼兒體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，成為這種新型醫(yī)療器件的重要應(yīng)用方向。
測(cè)量血壓、血糖的“創(chuàng)可貼”，檢測(cè)生理指標(biāo)的衣服、可以監(jiān)測(cè)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(guò)柔性電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)。人們還可以通過(guò)遠(yuǎn)程醫(yī)療的方式開(kāi)展身體健康監(jiān)測(cè)，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(jì)出更加輕薄柔軟的電子感知系統(tǒng)，它們能夠與機(jī)器人或人體更好貼合，對(duì)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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王波表示，柔性芯片將持續(xù)對(duì)人工智能和醫(yī)療等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
集聚多學(xué)科智慧協(xié)力攻堅(jiān)
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(diǎn)。“澳大利亞的柔性電子技術(shù)研究主要集中在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，利用柔性電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)印刷，并打印成太陽(yáng)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(rèn)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(jìn)更多合作、促成更多創(chuàng)新及研究成果。
就在本屆大會(huì)上，柔性電子與智能技術(shù)全球研究中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(chǎng)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(yùn)放芯片和藍(lán)牙SoC芯片，其中運(yùn)放芯片能夠?qū)δM信號(hào)進(jìn)行放大處理，而藍(lán)牙SoC芯片則集成了處理器和藍(lán)牙無(wú)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(huì)彎成弧形但不會(huì)損壞。
不過(guò)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(diǎn)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(guò)彼此碰撞以提供不同思路及問(wèn)題解決方案。
在陳曉東看來(lái)，未來(lái)柔性傳感器還將占據(jù)5G時(shí)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(méi)有任何感覺(jué)，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(duì)未來(lái)柔性傳感器更高的境界和追求”。
對(duì)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(shì)資源和創(chuàng)新力量，下一步將通過(guò)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(jìn)柔性電子技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。
