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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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