研究背景
随着生物学、电子学和人工智能的飞速发展，人类与机器之间的界面正在变得模糊，并被整合成一个单一的系统。对人机一体化的高度重视促使人们大力发展多学科技术来监测和维护人类健康。现在，通过由精密电子设备组成的笨重机器可以对健康状况进行准确诊断，但这些系统只能在专业空间由技术熟练的人员使用，这限制了日常生活中的医疗保健。集成了微型传感器、能源设备和数据处理单元的可穿戴电子设备可以通过无线方式精确提取人体的各种生物信号，使远程直接检查健康状况成为可能 (如 Apple Watch)。这种利用可穿戴电子设备实现“不受空间限制“的理念不仅局限于医疗保健行业，而且已开始向网络研讨会、虚拟购物和就业培训(如 Metaverse) 等非接触式行业蔓延，从而开创了人机一体化应用的繁荣局面。
然而，由于大量使用金属和硅等刚性材料，目前商业化的可穿戴电子设备通常以手表、手环和头戴式扩展现实 (XR) 设备的形式出现，在与人体形成亲密接触方面存在局限性。因此，研究人员的目标是提供“机械不可感知性”，即为用户提供最大的便利，让人们忘记佩戴设备。为了将可穿戴电子设备与人体的曲线和动态环境相结合，人们提出了深入研究，以实现类似皮肤的机械特性(如高破坏应变、低杨氏模量)。传统的刚性材料在结构上具有伸缩性，以适应人体，而随着材料科学和化学的发展，出现了本质上可伸缩的柔性电子材料。通过降低界面阻抗和机械不适感来确保这些类肤特性，从而在不给用户造成创伤的情况下长期提高生物信号的质量，这也是人与设备界面的一大特色。
尽管人们在努力形成亲密的人机界面，但对光学特性的考虑仍处于起步阶段。目前的可穿戴设备严重依赖各种传感器收集的生物信号数据而没有利用人体目标区域的视觉数据。为可穿戴电子设备提供透明度可以保留与生物系统接口的视觉信息。这些保留下来的信息可有效地用于图像分析技术，通过与传感器系统获得的生物信号相结合，全面了解健康状况。例如当我们将可穿戴电子设备用于医疗时，我们会失去受损组织的视觉信息，而这正是分析愈合过程最直观、最有效的数据。近来，基于视觉的传感器与人工智能的融合研究在学术界和工业界都取得了前所未有的进展，实现了数据处理、感知和预测物体运动的能力。在这方面将通过摄像头获取的人工智能集成视觉数据与从可穿戴电子设备获取的模拟数据进行融合可实现对工业机器人的精确控制，或根据人类动作对可穿戴执行器进行精细操作。在 XR 应用中，通过允许可穿戴设备的高透明度，可以最大限度地减少穿戴设备的人体视觉感知和感官反馈的一致性，从而提高 XR 环境中的认知能力。例如，佩戴 XR 设备的用户可以体验到完全沉浸式的视觉呈现，无缝衔接虚拟现实与现实世界。这种高透明度能让用户更加沉浸在虚拟环境中，并促进与实际环境的自然互动。从未来的角度来看，电子设备的高透明度可以带来“光学不可感知性”。这种光学不可感知性不仅能让佩戴者在日常生活中毫无心理障碍地使用设备，还能弥合 XR 环境与现实世界之间的差距，让用户更加沉浸在虚拟环境中。因此，"光学不可感知性“和“机械不可感知性“是克服当前可穿戴电子设备(如不舒适的用户体验、光学和机械信息不对称)和相关行业(如现实生活和虚拟世界之间的差距)局限性的关键特征。
研究成果
可穿戴电子设备的最新进展实现了与人体的无缝集成，可提取各种生物物理和生物化学信息，用于实时健康监测、临床诊断和增强现实。人们一直致力于通过材料科学和结构改造赋予电子设备可拉伸性/灵活性和柔软性，使这些设备能够稳定、舒适地与柔软的人体曲线相结合。然而，这些设备的光学特性仍处于早期考虑阶段。通过采用透明技术，可以保留来自接口生物系统的视觉信息，并利用图像分析技术进行全面的临床诊断。此外，透明性还具有光学不可感知性，从而减轻了在裸露皮肤上佩戴设备的不情愿。本综述全面讨论了透明可穿戴电子设备的最新进展，包括材料、加工、设备和应用。文中讨论了透明可穿戴电子设备材料的特性、合成以及提高性能的工程策略。还研究了与柔软人体稳定集成的桥接技术我们还讨论了可穿戴电子系统的构件，包括传感器、能源设备、致动器和显示器，以及它们的机理和性能。最后，我们总结了潜在的应用，并对剩余的挑战和前景进行了总结。相关研究以“Transparent Electronics for Wearable Electronics Application”为题发表在Chemical Reviews期刊上。
图文导读
Figure 1. The mechanical and optical imperceptibility of wearable electronics.
Figure 2. Thin film growth modes.
Figure 3. Metal nanomaterials.
Figure 4. Synthesis of graphene.
Figure 5. Conducting polymers.
Figure 6. Metal oxides.
Figure 7. Metal oxide-based transparent and flexible sensors.
总结与展望
本综述所讨论的透明电子材料和加工技术的不断创新，导致了具有新颖光学特性的新型电子产品的出现，而这些特性是以前的可穿戴设备所无法实现的。虽然最近可穿戴和植入式设备获得了监管部门的批准，促进了这一领域的发展，但仍有许多挑战有待克服。
开发透明可穿戴电子设备的关键挑战之一是迫切需要具有高电气和机械性能的高透明材料。赋予这三种所需的特性将是透明可穿戴电子设备及相关领域研究人员的终极目标之一。从电气特性的角度来看，在开发具有高透明度和导电性的电极材料方面已经取得了进展。虽然有几项研究同时实现了超过 90% 的高透明度和低于 5 Ω sq-1 的高电导率，但其电气性能仍无法与块状金属等刚性材料相比。透明电子器件的电导率会对显示器、能源设备和互连器件等电子元件的性能产生重大影响，因此需要进一步改进。
由于电阻高于块状导电材料，另一个令人担忧的问题是在运行过程中过热的可能性。即使在导电性最强的结构(AgNW 渗滤网络)中，高结点电阻也会因局部加热而导致局部过热。在最严重的情况下，这可能会导致设备崩溃，并对器官和娇嫩的皮肤造成伤害。因此，需要对透明可穿戴电子设备应用的热管理进行研究，并开发热存储和辐射冷却技术等技术，以确保安全工作。
验证形成透明电极的工艺也是一个关键步骤，因为它直接影响整个设备的性能，并可能降低其效率、使用寿命和可靠性。在通过真空沉积或基于溶液的工艺形成上层导电层的过程中这些工艺可能会损坏现有的下层导电层。实现这些工艺的可扩展性和均匀性也仍然是一个障碍，需要进一步开发处理技术。此外，由于集成多个传感器可以在健康监测和医疗应用中做出更准确的决策，因此需要开发更多样化的透明活性材料。尽管对透明活性材料的电学特性进行了大量研究，但由于需要更多的材料选择，实现可穿戴应用的强大功能仍具有挑战性探索各种透明活性材料对于实现复杂而精密的功能越来越重要。此外，高透明度材料的机械特性对于保持生物组织的保形附着至关重要，因此有必要开发具有卓越透明度、导电性和柔软性的材料。在这方面，以聚合物为基础的材料，如导电或半导体聚合物及其水凝胶，已被认为是同时实现这三种特性的理想替代品。然而，它们还有很长的路要走。此外，还必须提高透明包装材料的机械性能，如模量、拉伸性和韧性。软体机器人技术已成为支持人类身体运动和增强肌肉骨骼能力的一种有前途的解决方案，在日常生活、锻炼和康复方面具有很大的潜力。不过，由于透明聚合材料的机械性能较弱，以往的研究仅限于使用半透明材料。随着可穿戴机器人与视觉传感器的集成得到验证以提高可控性，可穿戴机器人需要由具有高机械性能的透明封装材料取代。
集成多个组件是开发透明可穿戴电子应用的另一项挑战。这就要求设计出既能执行独立功能，又能避免设备干扰和降低功耗的智能可穿戴系统。目前，各种商用芯片被用于驱动可穿戴电子设备的复杂系统集成。事实上，要超越这些刚性芯片和电池的电气性能极为困难。因此，商业化芯片和柔性电子设备的混合系统，或取代芯片的简化系统，可能是未来透明可穿戴电子设备应用的潜在解决方案。
尽管挑战重重，但透明和柔软的可穿戴电子设备为可穿戴电子设备与人类的融合提供了一个理想的研究方向，可为人们提供极度舒适的身心体验，并融入日常生活。随着人工智能技术的发展，光学信息变得越来越有价值。对于 XR 行业等未来产业来说，最终目标是模糊虚拟世界与现实世界之间的区别，而透明可穿戴电子设备可以克服地理限制，为从简单娱乐到远程手术和远程治疗等医疗领域的各种有趣应用提供理想途径。
文献链接
Transparent Electronics for Wearable Electronics Application
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00139
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