僅需在皮膚表面貼附一片薄薄的“紋身”，便可以實現(xiàn)心律、心電、血壓、呼吸、睡眠等人體信號的采集與監(jiān)測，甚至還有望輔助聾啞人及喉部切除患者重構(gòu)發(fā)聲能力。這種神奇的“紋身”就是清華大學(xué)微納電子系任天令教授團隊的研發(fā)成果——石墨烯電子皮膚。

不同于傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備，電子皮膚能夠真正與人體形成緊密界面，合二為一，在佩戴方式與信號質(zhì)量等方面都具有明顯優(yōu)勢，被認為是下一代生理信號監(jiān)測系統(tǒng)的形態(tài)。

任天令課題組基于激光還原石墨烯，將石墨烯與紋身結(jié)合，模仿電子皮膚的功能。任天令告訴《中國科學(xué)報》，石墨烯電子皮膚靈敏度極高，在運動監(jiān)測、睡眠監(jiān)測、生物醫(yī)療等方面都具有重大應(yīng)用前景。

石墨烯優(yōu)勢倍顯

石墨烯被稱為“黑金”，是世界上最薄、最堅硬的材料，也被譽為材料之王。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，可承受一只貓的重量，而其本身重量不足1毫克，只相當(dāng)于貓的一根胡須。

任天令課題組成員、清華大學(xué)微納電子系喬彥聰博士對《中國科學(xué)報》介紹說，石墨烯單層厚度僅為0.34納米，大約為頭發(fā)絲厚度的20萬分之一，這也決定了它天然具有很好的柔韌性。

喬彥聰表示，石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，能夠作為生理電極監(jiān)測心電圖、腦電圖等信號；通過結(jié)構(gòu)設(shè)計還可以將石墨烯制備成多孔結(jié)構(gòu)，將微弱的機械振動轉(zhuǎn)化為其電阻的變化，從而用于監(jiān)測脈搏、呼吸、關(guān)節(jié)運動等力學(xué)信號；

不僅如此，石墨烯還擁有很高的熱導(dǎo)率，目前已經(jīng)應(yīng)用于華為MATE手機散熱之中。同時，它還能夠高效的將電信號轉(zhuǎn)化為熱信號，不僅能應(yīng)用于柔性熱源，還可通過熱信號轉(zhuǎn)化為空氣振動從而作為柔性聲源。

“這些性能都決定了石墨烯可以作為多功能電子皮膚的材料?！眴虖┞敱硎?，由于石墨烯為單原子層，其兩側(cè)都為表層原子，因此具有極大的比表面積，可以通過在其表面修飾抗體等測量血液汗液中的一些成分。

任天令課題組就將激光直寫石墨烯與超薄柔性襯底相結(jié)合，實現(xiàn)了類紋身石墨烯電子皮膚，整個器件像紋身一樣與皮膚形成緊密貼合，貼敷于皮膚上不影響正常生活，佩戴舒適。

任天令表示，由于在實際應(yīng)用中，電子皮膚需要在大形變條件下工作，單層或少層石墨烯需要封裝、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方法才能穩(wěn)定工作，所以在使用方面存在局限性?；诩す庵睂懛椒ㄖ苽涠鄬邮﹦t可克服上述局限，不僅適用于大形變條件，還能根據(jù)個人喜好自行設(shè)計圖案，同時具有制備效率高、成本低等優(yōu)勢。

目前，激光直寫石墨烯已經(jīng)形成了一個完整的系統(tǒng)，可以高效率大面積制備多層多孔石墨烯，為電子皮膚器件的研發(fā)提供了材料基礎(chǔ)。

實用仍在推進

目前，任天令課題組正在開展電子皮膚用于心電圖、血壓、步態(tài)、語音等信號的研究。例如，使用石墨烯作為生理電極與柔性印刷電路板結(jié)合用于實時監(jiān)測心電圖。

據(jù)喬彥聰介紹，該系統(tǒng)與人工智能算法相結(jié)合可以實現(xiàn)心電圖的實時監(jiān)測與診斷，對于心律不齊的診斷正確率能夠達到92.65%。此外，使用石墨烯制作的壓力傳感器還可以植入衣物、護腕、鞋墊等，監(jiān)測脈搏、血壓、步態(tài)等信號。

值得關(guān)注的是，基于石墨烯優(yōu)異的收發(fā)聲性能，任天令課題組還將石墨烯聲源與石墨烯應(yīng)力傳感器相結(jié)合并集成在同一器件上，首次實現(xiàn)了石墨烯智能人工喉，并在柔性可貼附、聲音收發(fā)系統(tǒng)集成、動作監(jiān)測系統(tǒng)、輕型可穿戴等方面實現(xiàn)突破，改進開發(fā)了第二代石墨烯智能人工喉。改良后的器件不僅能夠探測聲音震動而且可以實現(xiàn)發(fā)聲，有望輔助聾啞人以及喉部切除患者重構(gòu)發(fā)聲能力。

“這些工作都在與醫(yī)院合作并積極推動成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化?！眴虖┞斦f。

“該工作充分利用了石墨烯低熱容量特性，應(yīng)用在超聲頻段特別高效?！奔又荽髮W(xué)伯克利分校教授Alex Zettl評價道，基于石墨烯熱聲效應(yīng)的新型聲源器件，揭示了石墨烯熱聲效應(yīng)機理，首次實現(xiàn)了石墨烯聲源器件，發(fā)現(xiàn)了石墨烯層數(shù)越少聲強越高的特性，拓展了石墨烯在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

不過，任天令坦言，石墨烯電子皮膚在采集人體信號時需更好的解決一些問題。首先，由于石墨烯作為納米材料在測量信號時過于靈敏，環(huán)境中微弱干擾都會被探測到，提高了在后端信號處理方面的難度。其次，由于現(xiàn)有的商用信號傳輸、處理、顯示系統(tǒng)基于硬質(zhì)封裝芯片，柔性電子皮膚與現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)還存在匹配問題。

“目前，包括我們課題組在內(nèi)的科研人員都在研究包含信號采集傳輸處理為一體的全柔性電子皮膚系統(tǒng)。”任天令對記者說。

未來研發(fā)方向

實際上，電子皮膚是一個集材料、器件、電路、算法為一體的綜合系統(tǒng)，要想真正實現(xiàn)商業(yè)化，還有很多方面需要進一步優(yōu)化。

“我們團隊目前正在致力于實現(xiàn)全柔性電子皮膚系統(tǒng)，提高其佩戴舒適度，同時與人工智能算法結(jié)合實現(xiàn)生理信號實時監(jiān)測與診斷。”任天令說。

當(dāng)前，柔性能源器件功率問題是限制整個系統(tǒng)柔性化的重要因素之一。任天令表示，目前，柔性能量收集與存儲裝置主要有納米發(fā)電機、生物燃料電池、超級電容器等。如何驅(qū)動以藍牙為代表的通訊模塊長時間工作，是柔性能源研究發(fā)展的重要目標(biāo)。

此外，電子皮膚可以與人體形成緊密的貼合，如何實現(xiàn)皮膚代謝物的排出也是影響設(shè)備舒適度的重要問題，而電子皮膚的商業(yè)化也必定需要其具備舒適的佩戴形態(tài)。因而，基于織物襯底或者與衣物等相融合的電子皮膚，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

不僅如此，電子皮膚不僅具有傳感模塊，還集成有信號處理等電路模塊，而現(xiàn)有的集成電路芯片大部分基于硬制基底與封裝，制約著全柔性系統(tǒng)的實現(xiàn)。實現(xiàn)集成電路芯片或封裝的柔性化，對于進一步提升電子皮膚的可穿戴性有著重要作用，這也是任天令課題組需要攻關(guān)的方向。

喬彥聰還表示，大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練對于人工智能算法的優(yōu)化具有重要意義，而電子皮膚與人體相融合，可以隨時隨地測量生理信號，能夠極大地豐富數(shù)據(jù)量與人工智能完美互補。因此相關(guān)數(shù)據(jù)庫與算法的搭建對于電子皮膚的應(yīng)用推廣具有重要意義。

未來，依托電子皮膚式生理信號監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以在日常生活中實現(xiàn)疾病早期篩查、突發(fā)疾病預(yù)警等功能，也可以指導(dǎo)慢性病患者日常的生活，提高他們的生活質(zhì)量。同時，在任天令看來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)院大型檢測設(shè)備將會出現(xiàn)小型化、無創(chuàng)化、電子皮膚化的發(fā)展趨勢，可以有效減輕患者的痛苦、提升就診體驗。

來源：中國科學(xué)報

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