AM 深度綜述：可穿戴電子如何實(shí)現(xiàn) “消失” 于日常的隱形設(shè)計(jì)？

可穿戴設(shè)備推動(dòng)了實(shí)時(shí)健康監(jiān)測和人機(jī)交互系統(tǒng)的發(fā)展。例如，智能手表和健身手環(huán)可以監(jiān)測用戶的心率、血氧和睡眠質(zhì)量。它們幫助用戶了解自己的健康狀況并調(diào)整習(xí)慣。對(duì)于體育活動(dòng)，這些設(shè)備可以跟蹤步數(shù)和卡路里燃燒情況，為體育愛好者提供數(shù)據(jù)支持，幫助他們?cè)u(píng)估鍛煉效率。此外，一些可穿戴設(shè)備采用NFC技術(shù)，簡化了支付流程，減輕了外出攜帶物品的負(fù)擔(dān)。這些可穿戴設(shè)備基于傳統(tǒng)的剛性電子設(shè)備（圖1：剛性電子設(shè)備）。

下一代可穿戴設(shè)備是使用像皮膚一樣柔軟和可拉伸的材料開發(fā)的。與剛性設(shè)備不同，這些可穿戴設(shè)備具有靈活和可拉伸的特性（圖1：軟電子設(shè)備），使它們能夠適應(yīng)身體復(fù)雜的肌肉和骨骼結(jié)構(gòu)，并在佩戴過程中自由調(diào)整形狀以跟隨皮膚運(yùn)動(dòng)。此外，柔軟的設(shè)備可以透氣且透汗，因?yàn)檎T發(fā)的出汗可能會(huì)導(dǎo)致用戶的皮膚刺激和不適。佩戴舒適度的提高使佩戴者在使用過程中無法察覺該設(shè)備，從而提高了該技術(shù)的接受度。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各種類型的軟電子設(shè)備，包括生物傳感器、電子顯示器和電源。

另一個(gè)在文獻(xiàn)中較少討論的關(guān)鍵特征是可穿戴設(shè)備的視覺沖擊。例如，放置在臉上的電極提供了大量關(guān)于大腦健康的生理信息，但目前商業(yè)化的電極很難每天佩戴。市場研究報(bào)告稱，社會(huì)影響和感知美學(xué)是消費(fèi)者接受可穿戴技術(shù)的少數(shù)重要參數(shù)之一。對(duì)于娛樂和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，社會(huì)接受程度會(huì)影響使用意愿，因?yàn)橛行┤丝赡軙?huì)猶豫是否要與昂貴的新技術(shù)聯(lián)系起來。一個(gè)值得注意的例子發(fā)生在2013年，當(dāng)時(shí)谷歌推出了他們的第一款谷歌眼鏡原型，這是一副集成了攝像頭、頭部和麥克風(fēng)以及小型顯示器的智能眼鏡。他們大膽的未來主義設(shè)計(jì)，與被認(rèn)為是小工具的高昂價(jià)格相關(guān)聯(lián)，迅速引發(fā)了圍繞該技術(shù)及其用戶的爭議和文化批評(píng)。消費(fèi)者版最終停產(chǎn)，谷歌將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到企業(yè)版。對(duì)新技術(shù)的反應(yīng)也深受當(dāng)?shù)匚幕蚣艿挠绊憽?duì)中國和瑞士用戶采用可穿戴設(shè)備的行為意向的調(diào)查揭示了不同文化之間的感知差異。據(jù)報(bào)道，醫(yī)生支持的感知努力和可信度是瑞士接受可穿戴設(shè)備的因素，而外部批準(zhǔn)和與醫(yī)療機(jī)構(gòu)的合作解決方案將提高中國的接受度。

1. 本文討論了盡量減少可穿戴設(shè)備的視覺影響并使其更適合日常使用的策略。這些新設(shè)備專注于在佩戴時(shí)不可察覺，并且足夠舒適，用戶幾乎忘記了他們的存在，在保持信號(hào)收集準(zhǔn)確性的同時(shí)減少了心理不適。

2. 材料選擇對(duì)于開發(fā)長期和不可感知的可穿戴設(shè)備至關(guān)重要。還介紹了這些不可感知的電子設(shè)備的最新發(fā)展，包括傳感器、晶體管和顯示器，并討論了實(shí)現(xiàn)不可感知性的機(jī)制。

3. 最后，總結(jié)了潛在的應(yīng)用，并討論了剩余的挑戰(zhàn)和前景。

圖1. 各種可穿戴電子產(chǎn)品的比較。剛性電子設(shè)備。左上：干式無線腦電圖系統(tǒng)。右上：電極貼在眼睛的內(nèi)角和外角附近，用于測量EOG信號(hào)。左下：標(biāo)準(zhǔn)表面?zhèn)鞲衅鬟B接到右脛骨的遠(yuǎn)端，以確定腳部接觸。右下：輕便多功能手外骨骼照片。左上：臉頰上附著的電極紋身陣列。右上角：附著在臉上的納米網(wǎng)傳感器的照片。左下：打印紋身平臺(tái)上的可穿戴離子電滲生物傳感器設(shè)備的照片。右下：照片顯示了靈活、可穿戴的無線充電電源系統(tǒng)。左上角：一位佩戴柔軟智能隱形眼鏡的女性受試者的照片。右上：附著在人類額頭上的汗液收集貼片。左下：指尖壓力傳感器的照片。右下：佩戴者穿著帶有傳感器的布料的照片。

圖2. 實(shí)現(xiàn)不可感知可穿戴設(shè)備的策略。各種傳感器、顯示器和用戶-機(jī)器界面以一種他人無法察覺的方式無縫集成在一起。

圖3. 透明柔軟的電子材料。a）手指上透明加熱器的照片。插圖顯示了化學(xué)焊接反應(yīng)后AgNW的掃描電鏡（SEM）圖像。b）佩戴在手指上的可拉伸ACNT TFT的光學(xué)圖像。插圖顯示了碳柵上超薄單壁碳納米管TCE的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。c）石墨烯電子紋身。插圖顯示了SEM照片，揭示了單層CVD石墨烯上存在ad層。d）超薄MXene薄膜。e）可拉伸PEDOT：放置在手腕上的PSS裝置。f）超薄水凝膠薄膜。

圖4. 不可察覺的傳感器。a）手腕上附著的應(yīng)變傳感器的照片。b）用于監(jiān)測手指操作的納米網(wǎng)壓力傳感器。c）傳感器附著在人體皮膚上以及在拉伸和扭曲條件下的照片。d）佩戴在人眼周圍的不敏感眼電圖石墨烯傳感器。e）離子凝膠薄膜傳感器附著在臉頰上。f）柔性有機(jī)/無機(jī)混合近紅外光電容積描記傳感器。

圖5. 基于本質(zhì)透明電子材料的隱形可穿戴智能系統(tǒng)的元素。下一代可穿戴系統(tǒng)示意圖。電源：a）透明且可拉伸的摩擦納米發(fā)電機(jī)，與芯片LED集成。b）集成電池的透明微系統(tǒng)。插圖顯示了系統(tǒng)透明透明。顯示器：c）漂白和著色狀態(tài)下的電致變色顯示器。d）假肢上的透明和適形的OLED。天線：e）基于銀納米線的超薄透明射頻傳感器。f）透明天線安裝在專為眼壓監(jiān)測設(shè)計(jì)的智能鏡片上。比例尺：0.5厘米。晶體管：g）皮膚上的半透明晶體管陣列。h）具有透明性和高集成密度的晶體管陣列。

圖6. 將電子產(chǎn)品隱藏在日常衣服和配飾中的策略。a）具有檢測壓力和溫度雙重功能的智能隱形眼鏡的照片。b）用于二氧化碳檢測的智能面膜。c）觸覺口腔墊，捕捉牙齒咬合和舌頭滑動(dòng)動(dòng)作，用于機(jī)器控制應(yīng)用。d）用于實(shí)時(shí)感測多個(gè)參數(shù)（大腦、眼睛、運(yùn)動(dòng)和輻射信號(hào)）的智能眼鏡。電子皮膚：e）放置在皮膚上的觸覺界面，具有適合身體解剖結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計(jì)。f）連接到無線藍(lán)牙模塊的納米網(wǎng)皮膚受體，用于手部任務(wù)識(shí)別。g）耳機(jī)上集成的汗液中的乳酸和大腦活動(dòng)傳感器。服裝：h）紡織OLED顯示屏。；i）夾在織物層之間的發(fā)光顯示器以及j）集成多功能電子纖維的電子紡織品。