清華研發(fā)：用于檢測(cè)呼吸心率等信號(hào)的石墨烯電子皮膚

清華研發(fā)：用于檢測(cè)呼吸心率等信號(hào)的石墨烯電子皮膚

貼上一塊薄薄的電子皮膚，可以檢測(cè)人體的生理信號(hào)，預(yù)防某些疾病的發(fā)生，這種科幻場(chǎng)景在不久的將來(lái)可能成為現(xiàn)實(shí)。

近日，清華大學(xué)微電子與納米電子學(xué)系任天玲教授研制出一種多層石墨烯表皮電子皮膚。該裝置靈敏度高，可直接應(yīng)用于皮膚檢測(cè)呼吸、心率、發(fā)聲等人體信號(hào)。它在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、睡眠監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)治療等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

皮膚作為人體最大的器官，負(fù)責(zé)內(nèi)外環(huán)境的相互作用，在其軟組織下，有一個(gè)巨大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)獲取溫度、壓力、氣流等外部信息的變化，電子皮膚可以實(shí)現(xiàn)或超越人體皮膚的傳感功能。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)人體皮膚傳感功能的模擬，研究得到了迅速發(fā)展，成為一種重要的生物醫(yī)學(xué)傳感器。

電子皮膚研究的目的是為了更好地收集體征，了解人們的身體狀況，了解疾病的早期特征，將疾病扼殺在萌芽狀態(tài)。本文第一作者喬燕聰解釋了研究的目的。

在國(guó)內(nèi)外，人們嘗試用不同的材料制作電子皮膚。這些材料需要有良好的靈活性和靈活性，高靈敏度，良好的適合性和舒適性。

清華大學(xué)任天玲教授使用的材料是石墨烯，記者了解到石墨烯與電子皮膚的結(jié)合在國(guó)內(nèi)外剛剛起步，石墨烯是世界上最薄的材料。它具有良好的導(dǎo)電性和柔韌性。它是一種理想的電子皮膚材料。

如何將石墨烯更穩(wěn)定、可靠地粘附在皮膚表面采集人體生理信號(hào)，是目前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，也是該領(lǐng)域的一個(gè)研究難點(diǎn)。

任天玲教授的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種新的氧化石墨烯濕剝離工藝，去除氧化石墨烯，只留下石墨烯，使器件更美觀、更靈敏，并能承受更高的溫度，如果沒(méi)有剝離工藝，殘留的氧化石墨烯在施加時(shí)會(huì)分散部分力，從而降低了表面粗糙度。裝置的靈敏度。任天玲說(shuō)。

任天玲介紹了多層石墨烯的使用，單層石墨烯厚度僅為1米的三分之一，但由于其相對(duì)脆弱性，很難處理，另外，低缺陷單層石墨烯的生長(zhǎng)成本相對(duì)較高，為了提高可操作性，我們制備了多層石墨烯，它不僅可以提高單層石墨烯的可操作性。降低了制備成本，同時(shí)提高了器件的靈敏度。

機(jī)械信號(hào)，如脈沖呼吸，改變電子皮膚傳感器的電阻。通過(guò)對(duì)該電信號(hào)的分析，我們可以對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分析，在解決了原材料問(wèn)題之后，下一個(gè)問(wèn)題是如何將石墨烯作為人體表面的基片進(jìn)行匹配和檢測(cè)。

通過(guò)激光直寫(xiě)對(duì)石墨烯微觀結(jié)構(gòu)的分析和研究，任天玲的團(tuán)隊(duì)建立了基于石墨烯帶狀結(jié)構(gòu)的理論裂紋模型，模擬了應(yīng)力引起的電阻變化過(guò)程，任天玲解釋說(shuō)，在電子顯微鏡下觀察了斷裂形態(tài)。發(fā)現(xiàn)了兩種不同類(lèi)型的裂紋，并進(jìn)行了模型仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

事實(shí)上，這個(gè)模型在現(xiàn)實(shí)中有著非常生動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)我們吃牛肉干時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)牛肉干有皺紋。沿著不同的方向撕開(kāi)牛肉干所需要的力是不同的。不同方向的斷線是不同的?？茖W(xué)是各向異性的。

在了解石墨烯的特性后，我們可以通過(guò)電阻值的變化來(lái)監(jiān)測(cè)和分析人體的生理信息，電子皮膚附著在口罩、手腕和喉嚨等不同的位置，可以測(cè)量呼吸、心跳和聲音等生理信號(hào)，心率可以是m。對(duì)胸部、手腕和指尖進(jìn)行測(cè)量，呼吸可以在人體和喉部進(jìn)行測(cè)量。人體的任何部位都適合，但適合的部位應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定。任天玲說(shuō)。

現(xiàn)在我們?nèi)栽陂_(kāi)發(fā)后端系統(tǒng)，希望能完成一個(gè)便攜式系統(tǒng)，讓你隨時(shí)隨地都能知道自己的標(biāo)志。

電子皮膚的傳感功能在機(jī)器人的醫(yī)學(xué)檢測(cè)和診斷中有著廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)，電子皮膚的研究正蓬勃發(fā)展。

2017年6月，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制出一種超薄、高像素、可直接貼附于人體表面的柔性電子皮膚陣列，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)環(huán)境壓力具有超靈敏。微米級(jí)超薄可拉伸基板和蛇形電極結(jié)構(gòu)使器件不僅具有彈性，而且容易損壞。

六月，約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的一組研究人員開(kāi)發(fā)出一種能感知疼痛和觸摸的電子皮膚。包裹電子皮膚的假體有助于截肢者避免受傷，電子皮膚的傳感器通過(guò)放置在皮膚上的電極與佩戴者的假體相連，類(lèi)似于真實(shí)神經(jīng)傳遞信號(hào)的方式，這樣電子皮膚就可以根據(jù)電子設(shè)備傳遞的不同脈沖模式，傳送一個(gè)從輕微接觸到疼痛的一系列感覺(jué)。

任天玲說(shuō)，電子皮膚可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體狀況。目前，醫(yī)學(xué)界對(duì)疾病預(yù)防的重視程度越來(lái)越高。如果我們能在疾病的早期監(jiān)測(cè)信號(hào)，我們就能把它扼殺在萌芽狀態(tài)。這不僅可以減輕病人的痛苦，而且可以降低治療費(fèi)用，這對(duì)國(guó)民來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)巨大的福利。

2004年，曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦蒂諾沃·肖洛夫制造了石墨烯，這是世界上最薄、最結(jié)實(shí)的材料。6年后，這兩位科學(xué)家因在石墨烯研究方面的杰出成就而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，進(jìn)一步將石墨烯推向科學(xué)研究的前沿。

石墨烯只有一個(gè)原子厚，其斷裂強(qiáng)度比最好的鋼高100倍，其柔韌性令人驚嘆，其拉伸范圍可達(dá)其尺寸的20%。如果吊床是由面積為1平方米的石墨烯制成的，它能承受貓的重量，重量小于1毫克，相當(dāng)于只有一個(gè)貓的胡須。

石墨烯具有良好的機(jī)械性能和厚度，使其具有柔韌性，并能隨著人體表面的變形而變化。同時(shí)，石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，能對(duì)機(jī)械信號(hào)產(chǎn)生明顯的響應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)。任天玲說(shuō)。

基于這些特點(diǎn)，近年來(lái)石墨烯的研究取得了很大進(jìn)展，2017年清華任天靈團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了石墨烯智能人工喉，這種新型智能設(shè)備具有語(yǔ)音收發(fā)一體化的特點(diǎn)。它不僅能接收聲音，還能發(fā)出聲音。具有良好的生物相容性。它可以附著在聾啞人的喉嚨上，幫助他們說(shuō)話。

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