Электронная кожа будущего

Представьте, что корпус вашего телефона меняет цвет при получении звонка, а бока электрочайника — оттенок по мере нагрева воды. Вообразите, что оконное стекло автоматически регулирует освещённость и показывает узоры, создающие в комнате резную тень, а стены в гостиной и борта автомобиля, ведут себя словно кожа хамелеона. Всё это уже стоит на пороге с появлением новой технологии.

О похожих вещах не раз писали фантасты. Но те, кто уже пробовал увидеть, как можно было бы реализовать такие изобретения, обычно думали об огромных дисплеях. Инерция мышления, как ни крути. Между тем растягивать на окна и стены даже самые современные экраны (вроде органических) — слишком расточительно. И вес конструкции будет велик, и потребление энергии окажется немаленькое. Про цену лучше не вспоминать. Даже дисплей во весь корпус телефона или чайника — это слишком сложно для существующих гибких и тонких экранов.

Инженеры и учёные из Нидерландов решили данную задачку по-своему. Они рассудили: нам не нужны дисплеи в традиционном понимании, обойдёмся простой пассивной (отражающей или прозрачной) поверхностью, цвет (или светопропускание) которой можно регулировать электроникой. И голландцы не только рассудили, но и сотворили желаемое.

Первые образцы так называемой электронной кожи (e-skin) продемонстрировали на днях в работе специалисты из исследовательского подразделения знаменитой электронной компании – Philips Research.

E-skin является глубокой эволюцией неплохо уже зарекомендовавшей себя технологии электронной бумаги. Только в последней микрочастицы "электронных чернил" всплывали или тонули в толще панели, и происходило это под действием электрического поля, приложенного перпендикулярно поверхности устройства. А в e-skin частицы чёрных или цветных чернил смещаются по горизонтали под воздействием поля, параллельного стеклу (или полимерной плёнке). Такой поворот всего принципа "набок" открыл перед разработчиками "е-кожи" занимательные перспективы.

Заметим, фактически перед нами переосмысление проекта профессора Хейкенфельда из США, только в собственных экспериментах голландцы пошли дальше — они придумали не один, а сразу несколько вариаций такой "продвинутой" электронной бумаги.

В e-skin может быть всего два фигурных электрода (в пределе), которые размещены по обе стороны от тонкой полости между стенками панели, заполненной плавающими частицами красителя. Электроды могут быть нанесены на внутреннюю поверхность стекла или плёнки в виде едва заметного на глаз рисунка различной степени сложности. В любом случае в отсутствие напряжения чернила равномерно распределяются по объёму ячейки, придавая электронной коже тот или иной цвет и уровень светопропускания в зависимости от параметров выбранных частиц.

Когда на двух электродах появляется напряжение, чернила концентрированно собираются у одного из них (выбор зависит от полярности приложенного поля). В результате львиная доля площади панели оказывается прозрачной.

Если под ней лежит отражающая плёнка (серебристая, белая и так далее), "е-кожа" будет сверкать, а без таковой — просто превратится в прозрачное стекло с едва видимым глазу "остаточным" рисунком в тех местах, куда сбились частицы управляемого пигмента.

При этом в одну и ту же ячейку можно заправить пару различных по цвету чернил, по-разному реагирующих на приложенное поле. В зависимости от подключённого, скажем, к прямоугольной сетке из электродов напряжения такая "кожа" может продемонстрировать небольшой ряд мозаик.

Один из привлекательных шагов проекта: авторы "кожи" посчитали, что вовсе не стоит гнаться за числом пикселей выводимого изображения (а никто не сомневается, что e-skin в некотором смысле является экраном). Пока одни компании наращивают разрешение электронной бумаги чуть ли не до печатных стандартов, голландцы пошли в противоположном направлении. Они заявили, что для ряда приложений число пикселей можно сократить до минимума, создавая в электронной коже относительно крупные (по меркам дисплеев) ячейки, способные формировать несложные рисунки и узоры.

В частности, Philips поэкспериментировала с шестиугольными ячейками (которые впервые мы увидели у того же Хейкенфельда). Все стенки сот в такой панели представляют собой единый электрод № 1, а точки в центре каждой ячейки объединены проводящим слоем в электрод № 2. Соответственно, в зависимости от включённого направления электрического поля или его отсутствия чернила в таких ячейках или равномерно заполняют объём, или собираются тонкими жилками вдоль стенок, или все перебегают внутрь точек. Получается три состояния "кожи".

Интересно, что инженеры попробовали альтернативное размещение боковых электродов в ячейках, помимо уже описанной шестиугольной схемы. Ряд рисунков приводит к сокращению общей поверхности электродов, а от этого зависит степень прозрачности или затемнения панели. На них же влияет и материал стенок, который сам по себе может быть прозрачным или нет.

На нескольких экспериментальных образцах e-skin её создатели показали, что светопропускание такой панели может меняться от 0,1% до 85%.

Точные границы возможностей каждой модели зависят от рисунка электродов, подобранных материалов для стенок, стёкол и, конечно же, от цвета использованных чернил.

На этом голландцы не успокоились и придумали трюк, который до сих пор электронной бумаге удавался плохо. Вспомним, обычно она переключает свои пиксели между парой фиксированных состояний (потому такая бумага в основном чёрно-белая). Создание цветных вариантов или даже моделей, способных показать хотя бы несколько градаций серого, требует существенного расширения набора контактов (чтобы переключать площадь и перечень задействованных специальных ячеек).

И без того непростая бумага-дисплей ещё больше усложняется, что влечёт за собой повышение числа шагов, за которые на поверхность плёнок или стёкол наносятся рисунки из проводящих дорожек. Также увеличивается сложность управляющей микросхемы. Такая "бумага" существует, но это путь технологии в сторону традиционных микросхем, то есть направление, которого голландцы как раз старались избежать.

И они нашли выход, позволяющий обеспечить вывод нескольких градаций серого при очень малом числе контактов. Вместо того чтобы заставлять частицы чернил бегать внутри ряда изолированных ячеек, они отдали краске на откуп весь "плавательный бассейн" оптом, а на его верхней стороне нанесли тонкую сетку из ряда простых линейных электродов (от них идут всего два проводка — один от всех чётных рядов вместе, второй от всех нечётных).

Различные комбинации приложенных напряжений (это, кстати, всего доли вольта) приводят к тому, что частицы чернил формируют отдельные стайки либо у дна (там расположен единственный на весь "экран" прозрачный электрод), либо у поверхности, причём ещё и в стайки разного размера. Вот и готова кожа с несколькими уровнями прозрачности.

Philips мечтает, что тонкие и компактные варианты такой "кожи" пойдут на отделку мобильников, MP3-плееров и прочей небольшой техники. Заметьте, речь не идёт о замене традиционного экрана. Переключать цвет научат сам корпус, который, к примеру, может менять свой вид при поступлении звонка или SMS.

Аналогично можно заставить "краснеть" горячий чайник. Более того, поскольку электронная кожа умеет показывать рисунки, ею можно "обернуть" игровые приставки. И тогда сама игра будет загружать в память консоли декоративный рисунок, который по стилю окажется достойным обрамлением: играете в военную стрелялку — получите приставку в камуфляжной окраске. А плеер, оснащённый камерой, может выводить на свою поверхность рисунок со стола, одежды или соседних обоев, уподобляясь хамелеону. Почему бы и нет?

Аналогично можно было бы менять расцветку медицинской техники (магнитного томографа, например), если это потребуется для успокоения маленьких пациентов, рассуждает Philips. Белый в обычном состоянии аппарат нажатием кнопки можно превратить в цветочный луг.

"Но при этом технология масштабируема", — утверждает ведущий учёный Philips Research Карл-Мишель Ленссен (Kars-Michiel Lenssen).

На противоположном краю находятся крупноформатные "изделия будущего", в которых также окажутся важны простота и дешевизна системы и её ультранизкий расход энергии. Philips рассуждает, что на основе e-skin можно создать интерактивные оконные стёкла следующего поколения или новый вариант каких-нибудь интерактивных обоев. В общем, меняющая свою яркость и цвет поверхность пригодится там, где требуется не большой экран для демонстрации футбольного матча, а просто стильный элемент оформления интерьера, способный меняться под настроение хозяина, ситуацию или просто время суток.

Ещё кузова автомобилей, покрытые e-skin, могли бы менять свой цвет по желанию водителя. Так же как можно было бы создавать "хамелеонные" стены домов.

При таком применении e-skin совсем не важны и сравнительно небольшое число пикселей (или практически полное отсутствие таковых), и скромная скорость переключения. Зато простота изготовления панели и надёжность технологии выйдет на первый план. Поэтому у электронной кожи есть все шансы добраться до практического применения.