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僅需在皮膚表面貼附一片薄薄的“紋身”，便可以實(shí)現(xiàn)心律、心電、血壓、呼吸、睡眠等人體信號(hào)的采集與監(jiān)測(cè)，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(tuán)隊(duì)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(hào)質(zhì)量等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是下一代生理信號(hào)監(jiān)測(cè)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(bào)》，石墨烯電子皮膚靈敏度極高，在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、睡眠監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療等方面都具有重大應(yīng)用前景。
石墨烯優(yōu)勢(shì)倍顯
石墨烯被稱為“黑金”，是世界上最薄、最堅(jiān)硬的材料，也被譽(yù)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(duì)《中國科學(xué)報(bào)》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(cè)心電圖、腦電圖等信號(hào)；通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可以將石墨烯制備成多孔結(jié)構(gòu)，將微弱的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為其電阻的變化，從而用于監(jiān)測(cè)脈搏、呼吸、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等力學(xué)信號(hào)；
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(jī)散熱之中。同時(shí)，它還能夠高效的將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為熱信號(hào)，不僅能應(yīng)用于柔性熱源，還可通過熱信號(hào)轉(zhuǎn)化為空氣振動(dòng)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(cè)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(shí)現(xiàn)了類紋身石墨烯電子皮膚，整個(gè)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(shí)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(jì)等方法才能穩(wěn)定工作，所以在使用方面存在局限性。基于激光直寫方法制備多層石墨烯則可克服上述局限，不僅適用于大形變條件，還能根據(jù)個(gè)人喜好自行設(shè)計(jì)圖案，同時(shí)具有制備效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)。
目前，激光直寫石墨烯已經(jīng)形成了一個(gè)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(shí)用仍在推進(jìn)
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(hào)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)心電圖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷，對(duì)于心律不齊的診斷正確率能夠達(dá)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(hù)腕、鞋墊等，監(jiān)測(cè)脈搏、血壓、步態(tài)等信號(hào)。
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(shí)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(dòng)作監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、輕型可穿戴等方面實(shí)現(xiàn)突破，改進(jìn)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(cè)聲音震動(dòng)而且可以實(shí)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(dòng)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。”加州大學(xué)伯克利分校教授Alex Zettl評(píng)價(jià)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(jī)理，首次實(shí)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(qiáng)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(hào)時(shí)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(cè)量信號(hào)時(shí)過于靈敏，環(huán)境中微弱干擾都會(huì)被探測(cè)到，提高了在后端信號(hào)處理方面的難度。其次，由于現(xiàn)有的商用信號(hào)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(hào)采集傳輸處理為一體的全柔性電子皮膚系統(tǒng)?！比翁炝顚?duì)記者說。
未來研發(fā)方向
實(shí)際上，電子皮膚是一個(gè)集材料、器件、電路、算法為一體的綜合系統(tǒng)，要想真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，還有很多方面需要進(jìn)一步優(yōu)化。
“我們團(tuán)隊(duì)目前正在致力于實(shí)現(xiàn)全柔性電子皮膚系統(tǒng)，提高其佩戴舒適度，同時(shí)與人工智能算法結(jié)合實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與診斷?！比翁炝钫f。
當(dāng)前，柔性能源器件功率問題是限制整個(gè)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(chǔ)裝置主要有納米發(fā)電機(jī)、生物燃料電池、超級(jí)電容器等。如何驅(qū)動(dòng)以藍(lán)牙為代表的通訊模塊長時(shí)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(shí)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(hào)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(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)集成電路芯片或封裝的柔性化，對(duì)于進(jìn)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(duì)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(shí)隨地測(cè)量生理信號(hào)，能夠極大地豐富數(shù)據(jù)量與人工智能完美互補(bǔ)。因此相關(guān)數(shù)據(jù)庫與算法的搭建對(duì)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(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可以在日常生活中實(shí)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(shí)，在任天令看來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)院大型檢測(cè)設(shè)備將會(huì)出現(xiàn)小型化、無創(chuàng)化、電子皮膚化的發(fā)展趨勢(shì)，可以有效減輕患者的痛苦、提升就診體驗(yàn)。
來源：中國科學(xué)報(bào)
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