В последнее время концепция дисплеев меняющейся формы^[1] стремительно набирает популярность, поскольку в них сочетаются высокое разрешение изображения и портативность. Несмотря на то, что технология все еще находится на стадии становления, ученые уже тщательно изучили потенциал такого типа экранов, способных тянуться во всех направлениях, меняя форму.

Прорыв в области растягиваемых дисплеев и датчиков

Исследователи из научно-исследовательского центра Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), специализирующегося на передовых технологиях будущего, опубликовали в авторитетном научном журнале Science Advances исследование^[2] о дальнейшем развитии тянущихся устройств.

В ходе исследования ученым удалось достичь стабильных показателей растягиваемого устройства с высоким коэффициентом удлинения. Кроме того, научная работа впервые в отрасли продемонстрировала коммерческий потенциал тянущихся гаджетов, особенно в сочетании с рядом существующих полупроводниковых процессов.

Исследователи SAIT смогли объединить растягиваемый органический светодиодный (OLED) дисплей и датчик фотоплетизмографии (PPG) в одном устройстве с форм-фактором «растягиваемой электронной кожи», измеряющим и отображающим частоту сердечных сокращений пользователя в режиме реального времени. Успех этого примера доказывает возможность и других способов применения технологии. Ожидается, что благодаря исследованию тянущиеся устройства получат еще большее распространение в будущем.

▲ Исследовательская группа SAIT, которая продемонстрировала практическое применение растягиваемых устройств: главный исследователь SAIT Organic Material Lab Чжон Вон Чунг (соавтор), главный исследователь Ёнджун Юн (автор–корреспондент) и штатный научный сотрудник Ёнджун Ли (первый соавтор)

OLED-экран, который можно растянуть на 30%

Одним из самых важных результатов исследования стало измерение состава и структуры эластомера, эластичного и упругого полимерного соединения, и определение того, как использовать существующие процессы производства полупроводников, чтобы впервые в отрасли нанести его на подложки тянущихся OLED-дисплеев и оптические датчики кровотока. Затем ученые на практике подтвердили, что сенсоры и дисплей продолжают работать и их характеристики не ухудшаются даже при растяжении до 30%.

▲ Система SAIT Proto

Чтобы проверить свои разработки на практике, исследователи SAIT прикрепили растягиваемые датчики сердечного ритма PPG и систему OLED-дисплея к внутренней стороне запястья пользователя рядом с лучевой артерией^[3]. Таким образом удалось доказать, что движение запястья не сказывается на работе устройства даже при растяжении на 30%. Результаты исследования также подтвердили, что датчик и OLED-дисплей продолжают стабильно работать даже после 1000 растягиваний. Кроме того, выяснилось, что при измерении сигналов во время движения запястья датчик улавливает пульс пользователя в 2,4 раза точнее, чем зафиксированный кремниевый сенсор.

«Особенность этой технологии в том, что с ее помощью вы можете измерять биометрические данные в течение длительного периода без необходимости снимать устройство во время сна или физических упражнений, поскольку электронный патч практически не ощущается на коже. Вы также можете просматривать биометрические данные прямо на запястье, не передавая их на другие гаджеты, – пояснил главный исследователь Ёнджун Юн, автор статьи. – Данную технологию можно использовать в носимых медицинских устройствах для взрослых, детей и младенцев, а также пациентов с рядом заболеваний».

▲ Ёнджун Юн, главный исследователь и автор-корреспондент

Преодоление технических проблем с помощью эластичных материалов и конструкции

Внедрение технологии тянущихся дисплеев – непростая задача, поскольку обычно, если экран растягивается или меняет форму, гаджет ломается, либо начинает работать менее эффективно. Для решения этой проблемы необходимо, чтобы все используемые в конструкции устройства материалы и детали, в том числе подложка, электрод, тонкопленочный транзистор, излучающий слой и датчики, были физически растяжимыми и при этом сохраняли свои электрические свойства.

В итоге ученые из SAIT заменили пластик, ранее применявшийся в растягивающихся дисплеях, на эластомер. Полученная в результате система впервые в отрасли сочетает дисплей и сенсор с использованием процессов фотолитографии для создания микротекстур и обработки больших площадей.

Эластомер – современный материал с высокой эластичностью и упругостью, но возможности его применения в существующих полупроводниковых процессах ограничены из-за чувствительности к нагреванию. Чтобы справиться с этой проблемой, ученые повысили термическое сопротивление материала, изменив его молекулярный состав. Кроме того, они химически интегрировали определенные цепочки молекул для сопротивления материалам, используемым в полупроводниковых процессах.

«Мы использовали “островную” структуру, чтобы сократить напряжение^[4], вызванное растяжением устройства, – пояснил соавтор статьи Йонгджун Ли. – Особо высоким этот показатель был в эластомере, у которого относительно низкий коэффициент упругости^[5] и, следовательно, большая способность менять форму. В результате нам удалось минимизировать нагрузку на OLED-пиксели, более уязвимые к давлению. Мы применили растягивающийся электродный материал (потрескавшийся металл), который сопротивляется деформации, в области, где используется эластомер, поэтому промежутки и электроды между пикселями смогли сжиматься и растягиваться, но пиксели не деформировались».

▲ Металлические электроды с OLED и «трещинами» в островной структуре

▲ Ёнджун Ли, научный сотрудник и соавтор статьи

Коммерческое применение

Растягиваемый сенсор был создан, чтобы непрерывно измерять сердечный ритм пользователя с высокой степенью точности по сравнению с существующими датчиками, применяемыми в носимых устройствах. За счет более плотного прилегания к коже удается снизить неточности показаний, вызванные движением^[6].

Разработанные учеными SAIT растягиваемый датчик и OLED-дисплей были созданы благодаря стремлению преодолеть ограничения современных устройств и техпроцессов, в том числе доступных эластичных материалов. Данная работа имеет большое значение, поскольку ее результатом стало создание более химически- и термостойкого эластомера, что расширяет возможности для коммерческого применения тянущихся устройств с большими экранами высокого разрешения в будущем.

«Наши исследования все еще находятся на начальной стадии, но мы стремимся создать и коммерциализировать растягивающиеся устройства за счет повышения разрешения, эластичности и точности измерений до максимального уровня, – отметил главный исследователь Чжон Вон Чунг, первый соавтор статьи. – Помимо датчика сердечного ритма, который мы использовали в прототипе, мы намерены интегрировать в тянущиеся устройства сенсоры и меняющие форму экраны с высоким разрешением для отслеживания таких показателей, как насыщение крови кислородом, ЭКГ и артериальное давление».

 ▲ Чжон Вон Чунг, главный исследователь и соавтор

[1] Экраны со значительно меньшим размером пикселей, что дает больше свободы при определении их формы

[2] Название доклада: «Автономный патч для мониторинга состояния здоровья в реальном времени»

[3] Поверхностная артерия предплечья, которая обычно используется для измерения пульса.

[4] Сила сопротивления, которая создается в материале, когда он сжимается, изгибается, закручивается или к нему применяются другие внешние силы.

[5] Коэффициент эластичности, отражающий степень растяжения и деформации объекта.

[6] Эффект артефактов, вызванный движением.

Д-р Сын подчеркнул важность сотрудничества между корпоративными и академическими исследователями в области ИИ. «В отличие от академических ученых, которые обладают большей свободой в развитии своих профессиональных интересов, корпоративные исследователи, которые изучают проблемы реального мира, часто сталкиваются с ограничениями в своей работе, – пояснил д-р Сын. – Для того, чтобы преодолеть эти барьеры, компании стремятся найти креативные способы решения проблем и проводить по-настоящему инновационные исследования».

Далее д-р Сын перечислил сферы, в которых Samsung развивает свою научную работу в сфере ИИ, подчеркнув, что компания расширяет деятельность и на классические области искусственного интеллекта, такие как зрение и графика, речь и язык, а также робототехника. Он отметил, что Samsung также прилагает большие усилия к созданию искусственного интеллекта на устройствах, в том числе с ограниченной вычислительной мощностью, ограниченным потреблением электроэнергии и другими подобными особенностями. Особое внимание, по его словам, компания уделяет сфере здоровья – очень увлекательной области, в которой ИИ, данные и устройства способны объединиться, чтобы принести пользу людям, стремящимся улучшить свое самочувствие.

Чтобы продемонстрировать общую картину, в рамках которой существуют исследования ИИ, д-р Сын затем представил ряд продуктов Samsung, в которых применяются интеллектуальные технологии, отметив существующие технические вызовы, которые Samsung и другие исследователи ИИ по всему миру стремятся преодолеть, чтобы максимально расширить возможности ИИ для помощи людям. «Исследования ИИ для того, чтобы сделать мир лучше, начинаются только тогда, когда мы глубоко задумываемся о том, как ИИ способен повлиять на нашу жизнь и изменить человеческое поведение», – заключил д-р Сын.

Ключевые тезисы экспертов: основные выступления

Во второй день Форума искусственного интеллекта Samsung 2020 выступили одни из самых авторитетных экспертов в области искусственного интеллекта в мире. Проф. Кристофер Мэннинг (Prof. Christopher Manning) из Стэнфордского университета, всемирно известный ученый в области обработки естественного языка (NLP), выступил с докладом под названием «Понимание естественного языка и разговорный ИИ». Проф. Мэннинг поделился текущим статусом и последними тенденциями в технологиях НЛП, отметив их быстрое развитие в последнее время, представил более точных диалоговых агентов и эффективных социальных роботов с открытым доменом на их основе. Проф. Деви Парих (Prof. Devi Parikh) из Технологического института Джорджии прочитала лекцию под названием «Мультимодальные и творческие системы искусственного интеллекта», в которой описала свою работу в области систем компьютерного зрения, с которыми люди могут взаимодействовать с помощью языка, а также систем искусственного интеллекта, способных помочь людям в их творческих и художественных начинаниях.

Проф. Суббарао Камбхампати (Prof. Subbarao Kambhampati) из Университета штата Аризона, член совета-учредителя некоммерческой организации «Партнерство в области ИИ» (“Partnership on AI”, PAO), прочитал лекцию под названием «Синтез интерпретируемого поведения для систем искусственного интеллекта, ориентированных на человека». Используя несколько тематических исследований из своей работы, проф. Камбхампати подчеркнул растущую потребность в системах ИИ для синергетической работы с людьми в повседневной жизни и заявил, что для этого они должны демонстрировать поведение, интерпретируемое людьми.

Наконец, Дэниел Д. Ли (Prof. Daniel D. Lee), исполнительный вице-президент Samsung Research, глава центра искусственного интеллекта Samsung в Нью-Йорке и профессор Корнеллского технологического института, прочитал лекцию на тему «ИИ для роботов и людей». Он изучил технологии, используемые в новейших алгоритмах машинного обучения, и объяснил, что их можно использовать как для разработки более совершенных робототехнических систем, так и для улучшения повседневной жизни людей.

Форум искусственного интеллекта Samsung – это ежегодное мероприятие, которое объединяет всемирно известных отраслевых экспертов и ученых, выступая платформой для распространения новейших тенденций, технологий и исследований в области ИИ. Форум представляет собой платформу для обмена идеями, результатами исследований, а также для обсуждения будущего ИИ.  В 2020 году Форум искусственного интеллекта Samsung проходил в онлайн формате на YouTube-канале Samsung.

2D материалы – ключ к преодолению проблем масштабируемости

SAIT занимается исследованием и разработкой двумерных (2D) материалов – кристаллических веществ, состоящих из одного слоя атомов. В частности, специалисты института работали над изучением и разработкой графена и добились революционных результатов в этой области – создали новый графеновый транзистор, а также новый метод производства монокристаллических пластин большой площади из чешуйчатого графена. Помимо этого, ученые SAIT заняты ускорением коммерциализации материала.

«Чтобы улучшить совместимость графена с полупроводниковыми процессами на основе кремния, выращивание пленок графена на полупроводниковых подложках должно осуществляться при температуре ниже 400 ° C, – рассказал Хён Чжин Шин, руководитель проекта по разработке графена и главный исследователь SAIT. – Мы также постоянно работаем над расширением сферы применения графена, не ограничиваясь полупроводниками».

Трансформированный 2D материал – аморфный нитрид бора

Недавно открытый материал под названием аморфный нитрид бора (a-BN) состоит из атомов бора и азота с аморфной структурой молекулы. Несмотря на то, что аморфный нитрид бора получают из белого графена, который включает атомы бора и азота, расположенные в гексагональной структуре, благодаря своей молекулярной структуре новый материал обладает уникальными отличиями от белого графена.

Аморфный нитрид бора имеет лучшую в своем классе сверхнизкую диэлектрическую проницаемость 1,78 с сильными электрическими и механическими свойствами и может использоваться в качестве межсоединительного изоляционного материала для сокращения электрических помех. Также было продемонстрировано, что материал в чешуйчатой форме можно выращивать при низкой температуре, всего 400°C. В связи с этим ожидается, что аморфный нитрид бора будет широко применяться в полупроводниках, таких как решения DRAM и NAND, и, особенно, в памяти следующего поколения для крупномасштабных серверов.

2012: графеновый барристор, триодное устройство с барьером Шоттки, управляемым затвором (SAIT, опубликовано в Science)

 

2014: чешуйчатый рост пластины монокристаллического монослоя графена на многоразовом водородно-терминированном германии (SAIT и Университет Сонгюнгван, опубликовано в Science)

 

2017: Реализация непрерывного монослоя углерода Захариасен (SAIT и Университет Сонгюнгван, опубликовано в журнале Science Advances)

 

2020: сверхнизкая диэлектрическая проницаемость аморфного нитрида бора (SAIT, UNIST и Кембриджский университет, опубликовано в журнале Nature)

---

 

Источник: журнал Science Advances

В связи с увеличением количества людей больных диабетом во всем мире, эффективный мониторинг уровня глюкозы в крови сегодня особенно важен. Как правило, для этого требуется уколоть палец пациента, чтобы получить каплю крови, поэтому врачи давно искали неинвазивные методы забора биоматериала, не причиняющие боль и дискомфорт.

«Неинвазивный мониторинг уровня глюкозы в крови активно обсуждался на протяжении десятилетий, и я верю, что наша работа поможет определить направление будущих исследований в этой сфере, – прокомментировал д-р Сон Хён-Нам (Sung Hyun Nam), магистр лаборатории мобильного здравоохранения SAIT. – Мы продолжим искать решения сложных задач и надеемся, что это приведет к выходу неинвазивных датчиков глюкозы в крови на рынок и в конечном итоге поможет облегчить жизнь людям с диабетом».

Рамановская спектроскопия использует лазеры для идентификации химического состава крови. Исследования применения этого способа для определения уровня глюкозы продемонстрировали способность измерять его прежде всего путем представления статистических корреляций с контрольной концентрацией этого вещества в биоматериале. При этом перед учеными возникли вопросы об эффективности и точности применения такого метода, поскольку результаты не были подтверждены.

Чтобы преодолеть ограничения, которые возникли в ходе предыдущих исследований, ученые Samsung разработали внеосевую систему комбинационного рассеяния света, которая позволяет непосредственно наблюдать пики комбинационного рассеяния глюкозы в коже in vivo. Используя эту систему, они продемонстрировали одно из самых высоких значений точности прогнозирования среди неинвазивных технологий. Исследовательская группа также разработала инновационную технику для снижения влияния артефактов движения на определение глюкозы путем спектроскопии комбинационного рассеяния.

Подробнее с результатами исследования можно ознакомиться по ссылке.