客观日本

贴在皮肤上的信息终端,可伸缩半导体实现高性能

2022年01月18日 电子电气

触摸贴在手背上的显示屏,回复邮件或管理健康状态。实现这种用途的是可以自由伸缩的半导体器件。庆应义塾大学等的研究团队新开发了可以伸缩的装置,成功地将性能提高至原来的10万倍。到2050年,可穿戴终端甚至可能不再需要“穿戴”。

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开发了可贴到手腕上的显示系统(图片由庆应义塾大学的松久直司提供)

以智能手表为首的可穿戴终端从2010年代开始迅速普及。可穿戴终端不仅能提高业务效率,有些型号还可以测量心电图等,能掌握日常健康状态。

可穿戴终端一般是手表型等有一定厚度的电子设备,需要佩戴。然而,有些人在运动时会觉得戴着碍事,有可能妨碍准确的测量。未来的器件有望实现可以直接贴在皮肤上的片状等形状。

目前主流的半导体材料硅难以拉伸,为此研发出了可以像橡胶那样伸缩,并且能通电的材料,还利用这种材料开发了半导体元件。但驱动频率只有约100赫兹,处理能力有限,成为实用化道路上的课题。

庆应义塾大学的专职讲师松久直司与美国斯坦福大学的鲍哲南教授等人使二极管具备了伸缩性,驱动频率也实现了用于交通IC卡的13.56兆赫,达到原来的10万倍。二极管是单向导电的半导体元件,通过提高驱动频率,可以有效地无线传输电力。

此次开发的二极管将半导体和阳极(电子流向外部电路的电极)等重叠成薄层。通过在有机半导体材料中导入部分橡胶结构,使得材料同时具备了导电性和伸缩性。

另外,通过改变各层的材料结构等,在保持高频率的同时,实现了即使伸缩也不容易损坏的特性。松久表示:“各层即使拉伸50%也不会破裂。”

研究团队还利用新开发的二极管开发了可以实际贴到皮肤上的显示系统。厚度约为200微米(微米为百万分之一米),由二极管、显示屏和天线等部件构成。

锂离子电池也开发出了柔软的类型,可以贴到衣服上,为皮肤显示屏供电。二极管会将接收到的交流信号转换为直流,从而改变显示屏的颜色。

研究团队的目标是2030年代上半期使贴在皮肤上使用的可穿戴终端实现实用化。使用此次的二极管,理论上可以用贴在皮肤上的交通IC卡通勤或上学。另外,如果能进一步提高驱动频率,应用范围还有望扩大。

将二极管用于可伸缩的太阳能电池等,还有望提高性能。

无需采血即可测量血糖值

据调查公司MM总研(东京港区)的数据,日本国内的智能手表销量2025年度将达到490万块,增至2020年度的2倍以上。旨在实现新一代可穿戴终端的技术开发正在各个领域推进。

可穿戴终端的技术开发与前景展望
2015年 美国苹果公司发售第一代Apple Watch
2018年 东京大学和大日本印刷成功开发出可以伸缩、能贴到皮肤上的显示屏
2021年 东京大学利用贴到皮肤上使用的电极成功测量了一周的心电图
庆应义塾大学的松久等人开发出性能提高10万倍的可伸缩二极管
2030年代上半期 贴到皮肤上使用的终端有望广泛普及
2040~50年代 贴到皮肤上使用的终端,还有望开发出新的电子器件

医疗领域最具竞争力的发展之一,是无需采血即可测量血糖值的功能。目前普及的血糖值测量设备一般都采用针刺指尖采血的方式。如果不需要采血,还能减轻患者的负担。

美国苹果公司正在开发利用电磁波测量空气中的微小颗粒的技术。据说该技术适用于于血糖值测量。

东京理科大学和东京大学的研究团队2021年8月宣布,利用通过人体交换数据和电力的“人体通信”技术,确认了连接到双耳的电子器件的有效性和安全性等。有望为以无线耳机和佩戴在耳朵上的可穿戴终端为对象的人体通信系统的普及做出贡献。

庆应义塾大学的松久开发的显示系统虽然可以贴在手背等部位,但存在贴到关节等活动幅度较大的部位时容易损坏的课题。通过实施改良和提高技术,可穿戴终端将进一步贴近人们的生活。

日文:落合修平、《日经产业新闻》,2022/01/07
中文:JST客观日本编辑部