Välkommen till Smartphone Futurology. I denna nya serie vetenskapliga artiklar, Mobila nationer gäst bidragsgivare Shen Ye går igenom nuvarande tekniker som används inom våra telefoner, liksom de banbrytande saker som fortfarande utvecklas i labbet. Det finns en hel del vetenskap framöver, eftersom många framtida diskussioner baseras på vetenskapliga papper med en stor mängd teknisk jargong, men vi har försökt hålla sakerna så enkla och enkla som möjlig. Så om du vill dyka djupare in i hur telefonens tarm fungerar, är det här serien för dig.
Detta är den sista delen - för nu - i vår serie om framtiden för smarttelefonteknologi. Den här veckan kommer vi att täcka vetenskapen bakom ett riktigt viktigt område av smarttelefonens byggkvalitet - pekskärmens glas. Och när vi avslutar serien ser vi också hur det nuvarande läget för mobilteknik jämförs med förutsägelser för nästan ett decennium sedan. Läs vidare för att lära dig mer.
Verizon erbjuder Pixel 4a för bara $ 10 / månad på nya obegränsade linjer
Om författaren
Shen Ye är en Android-utvecklare och MSci-examen i kemi från University of Bristol. Fånga honom på Twitter @shen och Google+ + ShenYe.
Mer i denna serie
Se till att kolla in de tre första delarna av vår Smartphone Futurology-serie, som täcker framtiden för batteriteknik, smartphone display tech och processorer och minne.
Härdat glas
Miljarder dollar spenderas på skärmreparationer varje år, där en del användare bestämmer sig för att leva med sin spruckna skärm istället för att spendera pengar på reparationer. Nästan alla flaggskeppstelefoner från 2014 använde Gorilla Glass 3 av Corning, men vissa väljer istället generiskt härdat glas. Modernt härdat glas är resultatet av flera termiska och kemiska behandlingsprocesser, vilket ökar styrkan hos materialet jämfört med vanligt glas.
Om du tittar på ytan på ett glasark under ett mikroskop kommer du att upptäcka att den är fylld med små brister och mikrosprickor. Dessa brister gör glas verkligen känsliga för brott. Om tillräckligt med stress appliceras kan dessa sprickor spridas, spricka och resultera i ett trasigt glasark. Om du föreställer dig två pappersark är ett perfekt och ett med en liten riva i mitten. Om du drog på sidorna av pappersarken kommer arket med den lilla rivan att kräva betydligt mindre kraft för att riva. Föreställ dig nu att om den lilla rivan låg vid kanten av pappersarket krävs ännu mindre kraft för att den ska föröka sig och så småningom tippa papperet i hälften. Stress kan byggas upp mycket lätt i kanterna och ännu mer i skarpa hörn. det är därför flygplan måste ha fönster med rundade hörn.
Vanligt glas är faktiskt full av små brister och sprickor - härdat glas stänger dessa med en mängd olika tekniker.
Gorilla Glass är en typ av härdat glas som kallas "alkali-aluminiumsilikatglas". Det är det mest kända varumärket i härdat glas för smartphones, som används i populära Android- och Windows-telefoner som Samsung Galaxy S5, HTC One M8och många Lumia-telefoner. De termiska processerna tempererar glaset, vilket orsakar en kompressionskraft på glasets yttre yta. Detta härdar glaset genom att stänga upp några av dessa mikrosprickor, men gör också glaset säkrare - om glaset går sönder splittras det i små bitar istället för stora farliga skärvor (liknar en Prins Ruperts droppe). Bortsett från anlöpning härdar en kemisk process som kallas "jonbyte" också materialet.
Glaset innehåller mycket natrium från tillverkningsprocessen. När det doppas i ett hett smält kaliumbad rör sig kaliumjonerna i glaset och förskjuter natriumjonerna. Kalium är större än natrium och detta orsakar också kompressionskraft på glasets yta - som härdning - som härdar glaset.
Härdat glas är extremt hårt. Den accepterade metoden att klassificera hårdhet använder "Vickers hårdhetstest". Gorilla Glass 3 är hårdare än de flesta metaller, och förmodligen det hårdaste materialet på telefonens yta. Medan du lägger telefonen i samma ficka som dina mynt och nycklar kanske inte får din skärm att repa, skulle chassit förmodligen få några tecken på skada. Titta på publicerade specifikationer av Gorilla Glass finns det ett antal betyg som beskriver olika typer av seghet.
- Youngs modul - beskriver materialets elasticitet. Högre antal betyder att materialet är styvare, men bieffekten av detta är ökad sprödhet.
- Poisson-förhållande - materialets axiella spänning när det dras eller skjuts. Tänk dig att du sträcker en bit bubbelgummi - mitten av det blir tunnare.
- Shear Modulus - beskriver materialets svar på klippning, en mycket viktig faktor när det gäller att förhindra att sprickor bildas.
- Fraktur seghet - mätning av materialets motståndskraft mot sprickbildning.
När man jämför ovanstående värden mellan Gorillaglas 3 och det nyligen meddelade Gorillaglas 4, den stora skillnaden är att vi får en lägre Young-modul, så den borde vara mindre spröd. Emellertid avslöjar sektionen för kemisk förstärkning mer än dubbelt djupskiktet, från 40 µm till 90 µm. Detta ökar kraftigt GG4: s motståndskraft mot sprickbildning och sprickbildning, med ett tjockare komprimerat ytskikt. Bilden nedan visar tvärsnitt som jämför skador motstånd mellan Gorilla Glass 3 och 4:
Bildkredit: Corning
Men om du använder ett skärmskydd blir skillnaderna mindre betydande. Skärmskydd hjälper till att sprida ut eventuella stötspänningar, tillräckligt för att förhindra betydande spänningar på ett ställe för att orsaka brott. Hur mycket du tuffar glas, kan du inte helt eliminera alla dessa naturliga defekter, varför vissa tillverkare börjar överväga mer exotiska material som safir.
Syntetisk safir
Förra året var det mycket hype kring rapporter om att iPhone 6 skulle ha en skärm gjord av syntetisk safir istället för härdat glas. Uppenbarligen skulle inte hela arket vara tillverkat av kristallin safir (det skulle vara för sprött), utan snarare en safirkomposit som ger materialet viss elasticitet. Konventionella tillverkningsmetoder innefattar användning av ett tunt skikt av glas som ett substrat på vilket aluminiumoxid avsätts och bildar ett tunt skikt av kristallin safir på ytan. Safiren har en dramatiskt högre Vickers hårdhet än konventionellt härdat glas, vilket gör den mer motståndskraftig mot repor.
Safirskärmar är betydligt hårdare än härdat glas ...
Men kostnaden för att tillverka safirdisplayer är enormt högre än för härdat glas, så de är sällan används för enhetsdisplayer och används ibland som linsskydd för smarttelefonkameror, till exempel i de senaste iPhone-modellerna. Det finns dock anledning att hoppas på billigare safirdisplayer i framtiden, eftersom priset på safirproduktion gradvis minskar när processerna blir mer optimerade.
Innan lanseringen ryktes iPhone 6 med att använda en safirskärm - i verkligheten använder den jonförstärkt glas.
... men tillverkningskostnaderna är högre och det finns andra tekniska utmaningar att lösa.
Enligt Cornings ledare uppväger dock safirens förbättrade hårdhet inte dess nackdelar. Den har en lägre ljusgenomsläpplighet som skulle påverka batteriets livslängd (på grund av att högre bakgrundsbelysningsnivåer krävs), det är 10 gånger dyrare än glas, tar mycket längre tid att tillverka, är 1,6 gånger tyngre och är mindre motståndskraftigt mot krackning. Corning är naturligtvis mycket investerat i sin Gorilla Glass-teknik och har anledning att hälla kallt vatten på detta konkurrerande material.
Med tillverkare inklusive Kyocera och Huawei använder safirskärmar får vi se hur väl enheten tål allmän användning. Huawei execs berättade Android Central på IFA 2014 att företaget förväntade sig att telefoner med safirskärmar skulle bli en framväxande nisch nästa år. Under tiden kallades Kyoceras Brigadier, en robust telefon med safir på skärmen, "nästan oförstörbar" efter omfattande tester av Android Central.
När safirtillverkningsprocesserna blir mer raffinerade och billigare kan vi se fler tillverkare anta kristallen i sina enhetsbyggnader.
Antibakteriella displayer
Även om vi aldrig riktigt tänker på det, kan våra smarttelefonpekskärmar bära en otrolig mängd bakterier från många miljöer. Och med att smarttelefonmarknaden bara har vuxit snabbt de senaste åren har det inte riktigt gjorts mycket forskning om hur man kan bekämpa detta.
Din smartphone-skärm är helt smutsig - men vetenskapen kan hjälpa till.
Ett tyskt universitet samplade 60 pekskärmar1 och upptäckte att en orenad pekskärm innehöll i genomsnitt 1,37 bakteriekolonibildande enheter per kvadratcentimeter. Det här är faktiskt inte så högt, storleksordningar lägre än för en kökssvamp, men några gånger högre än en toalettstol på sjukhuset2. Detta antal reducerades till 0,22 efter rengöring med en mikrofiberduk och 0,06 efter rengöring med spritservett än en toalettstol efter rengöring med tvättmedel. Forskarna identifierade att majoriteten av bakterierna kom från mänsklig hud, mun och lungor - inte förvånande eftersom vi håller våra enheter så nära vårt ansikte. De flesta människor rengör inte sina smarttelefonskärmar regelbundet, så pekskärmar har definitivt potential att sprida bakterier till andra.
I början av 2014 presenterade Corning sitt antimikrobiella Corning Gorilla Glass på CES. Det var det första EPA-registrerade antimikrobiella displayglaset. Displayen är i huvudsak belagd med en tunn film av silverjoner, som har otroliga antimikrobiella egenskaper och rapporteras döda 90% av bakterier, alger, mögel och svampar på ytan. Silver har använts i stor utsträckning på sjukhus för sin antimikrobiella effekt, vilket hjälpte till att förhindra spridningen av MRSA, och det användes faktiskt för att klä sår under första världskriget för att förhindra infektion.
Mängden silver som krävs för den tunna filmen på smarttelefonskärmar är mycket låg, men det kommer i slutändan att göra vara upp till tillverkarna om de vill ha de extra dollarna på enhetens materialräkning eller inte. Icke desto mindre, med hälso- och fitnessfunktioner som blir centrala delar av många smartphones, kan antibakteriella skärmar utgöra en annan differentieringspunkt för telefontillverkare.
Bildkredit: Tactus
Morphing-skärmar
Tactus Technologies, en start i Kalifornien, har visat upp sin innovativa morphing pekskärmsteknik. När det är i viloläge ser det ut som en vanlig pekskärm, men när det är aktiverat kan det generera en uppsättning utskjutande former som motsvarar vad som körs på enheten. Exemplet de visar är en enhet där tangenterna sticker ut när det mjuka tangentbordet visas på skärmen, vilket ger användaren lite taktil feedback.
Användare behöver inte trycka ner de enskilda tangenterna, bara genom att trycka på dem registreras tangenttryckningen. Det är en imponerande teknik som har utvecklats i flera år, men som ännu inte har implementerats i en konsumentenhet. Med hårdvarutangentbord som överges av tillverkare när de strävar efter tunnare enhetsdesign kan Tactus vara det som hårdvarutangentbordets fans letar efter.
Interaktiva hologram
Vid ACM-symposiet om mjukvara och teknik för användargränssnitt i år avslöjade universitetet i Tokyo sin prototypskärm som heter HaptoMime3. Det är ett interaktionssystem i luften som fungerar som en flytande pekskärm som kan stimulera fingertopparna med ultraljud för att ge taktil återkoppling. Med hjälp av en bildplatta förvandlas en bild på en skärm till ett flytande hologram. När systemet upptäcker att användaren "vidrör" hologrammet, kommer den ultraljudsfasade gruppgivaren att skapa en känsla i användarens fingertopp.
Tekniken fungerar inte bara med hologram utan även 3D-skärmar. Det tar oss ett steg närmare Tony Stark-interaktion med våra digitala enheter. Detta kommer antagligen aldrig att monteras i en smartphone, men det är möjligt att det kan klämmas fast i en surfplatteliknande enhet någon gång i framtiden.
Framtiden för smartphone-teknik - Är vi där än?
Tillbaka i februari 2008, 7 månader före den första lanseringen av Android, presenterade Nokia en koncepttelefon - Nokia Morph. Nokia Research Center och University of Cambridge's Nanoscience Center samarbetade om detta projekt för att producera en koncepttelefon som de tror är framtiden för smartphones, med fokus på nanotekniska applikationer i bärbara enheter.
Hur jämför Nokias vision om framtida mobilteknik med vad vi har idag?
Enheten innehöll:
- Böjbar, genomskinlig enhet
- Självrengörande yta
- 3D utskjutande yta (som Tactus-skärmen)
- Solar laddning via "nanograss" teknik
- Många integrerade sensorer för avkänningsfaktorer som luftföroreningar och hygien
Nokia förutspådde att sådan teknik skulle vara tillgängligt senast 2015, så hur långt har vetenskapen utvecklats för att tillåta sådana funktioner i en enhet? I de två första artiklarna i denna serie såg vi hur LG har skapat en genomskinlig böjbar OLED-skärm och det finns två kandidater för böjbara litiumbatterier - litiumkeramik och litiumpolymer med flexibel komponenter. Vi har inte självrengörande ytor ännu men det har gjort en stor insats för att utveckla bättre oleofob beläggning för glas för att hålla fettiga fläckar borta från våra enheter. Nuvarande "nanofur" -prototyper är känsliga för att beläggningarna slits av genom allmän friktion i våra fickor.
Bildkredit: University of Massachusetts, Stanford University
Ett genombrott inom nanograssforskning publicerades nyligen av ett samarbete mellan två universitet i USA4. Med hjälp av ett ark grafen kunde de ordna täta pelare av mycket effektivt solcellsmaterial - material som omvandlar ljus till elektrisk energi. Strukturen på nanograset ökar kraftigt ytan som är i kontakt med solljus, vilket förbättrar effektiviteten med 33% jämfört med tunnfilms solpaneler.
Bildkredit: Tzoa
Slutligen vidare till Nokias förutspådda föroreningar och hygien sensorer. I början av december dök en Kickstarter-sida upp för en enhet som heter Tzoa, enligt sidan är det den första bärbara som mäter luftföroreningarna i den omedelbara miljön. Den ansluts direkt till din smartphone och skickar över både luftföroreningar och UV-exponeringsdata. Sonden upptäcker inte kemisk förorening i luften men detekterar faktiskt partiklar i luften, vilket också utgör ett hot mot vår hälsa.
Och vi bör också nämna Samsungs Galaxy Note 4, som i slutet av 2014 blev den första vanliga smarttelefonen som levererades med en UV-ljussensor.
Bildkredit: Caltech
En överraskande mängd futuristiska saker finns redan hos oss - vare sig i laboratoriet eller i de enheter vi använder.
Redan 2011 publicerades ett papper på en liten linsfri plattform för analys av mikroorganismer. Det kallades ePetri-skålen och var utformad för att fungera på ett kiselchip5. (Den är uppkallad efter petriskålen, den konventionella metoden för odling av mikrober så att de kan analyseras.) EPetri-skålen kräver inte den stora utrustningen. och arbetsintensiva processer placeras kulturen helt enkelt på ett bildchip upplyst av smartphone-skärmen och enheten placeras i ett inkubator. Uppgifterna kan nås på distans via en bärbar dator eller annan smartphone, så att användaren kan zooma in och analysera enskilda mikrobiella celler. Tekniken är mycket specialiserad och fortfarande långt ifrån Nokia Morph-koncepten, men den är definitivt ett steg närmare.
Just nu har vi utvecklat mycket av den teknik som Nokia och University of Cambridge förutspådde skulle vara tillgängliga 2015. Konceptet är fortfarande väldigt futuristiskt, men det fungerar som en bra inspirationskälla för dem som utvecklar smarttelefonteknologin för framtiden.
Vem vet, om ytterligare sju år kanske vi ser en enhet som liknar Nokia Morph, kanske med tekniker som vi ännu inte har föreställt oss.
Tack Eric från Evolutive Labs för att du lärde mig om härdat glas!
M. Egert, K. Späth, K. Weik, H. Kunzelmann, C. Horn, M. Kohl och F. Välsignelse, bakterier på pekskärmar på smarttelefoner i en tysk universitetsmiljö och utvärdering av två populära rengöringsmetoder med kommersiellt tillgängliga rengöringsprodukter, Folia Microbiologica, 2014: sid. 1-6. ↩
A. Hambraeus och A.S. Malmborg, Desinfektion eller rengöring av sjukhustoaletter - en utvärdering av olika rutiner, Journal of Hospital Infection, 1980. 1 (2): s. 159-163. ↩
Y. Monnai, K. Hasegawa, M. Fujiwara, K. Yoshino, S. Inoue och H. Shinoda. 2014, ACM: Honolulu, Hawaii, USA. sid. 663-667. ↩
Y. Zhang, Y. Diao, H. Lee, T.J. Mirabito, R.W. Johnson, E. Puodziukynaite, J. John, K.R. Carter, T. Emrick, S.C.B. Mannsfeld och A.L. Briseno, Inneboende och yttre parametrar för att kontrollera tillväxten av organiska enkelkristallina nanopilare i solceller, Nano Letters, 2014. 14 (10): s. 5547-5554. ↩
G. Zheng, S.A. Lee, Y. Antebi, M.B. Elowitz och C. Yang, ePetri-skålen, en on-chip cell imaging plattform baserad på subpixel perspektiv svepande mikroskopi (SPSM), Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011. 108 (41): s. 16889-16894. ↩
Det här är de bästa trådlösa öronsnäckorna du kan köpa till varje pris!
De bästa trådlösa öronsnäckorna är bekväma, låter fantastiskt, kostar inte för mycket och sitter lätt i fickan.
Allt du behöver veta om PS5: Släppdatum, pris och mer.
Sony har officiellt bekräftat att de arbetar på PlayStation 5. Här är allt vi vet om det hittills.
Nokia lanserar två nya budget Android One-telefoner under 200 dollar.
Nokia 2.4 och Nokia 3.4 är de senaste tillskotten till HMD Globals budget smartphone-sortiment. Eftersom de båda är Android One-enheter får de garanterat två stora OS-uppdateringar och regelbundna säkerhetsuppdateringar i upp till tre år.
Säkra ditt hem med dessa SmartThings dörrklockor och lås.
En av de bästa sakerna med SmartThings är att du kan använda en massa andra enheter från tredje part på ditt system, dörrklockor och lås ingår. Eftersom de alla i huvudsak delar samma SmartThings-stöd har vi fokuserat på vilka enheter som har de bästa specifikationerna och tricksna för att motivera att de läggs till i din SmartThings-arsenal.