清華大學(xué)成功研發(fā)可測量生理體征信號的可定制紋身電子皮膚

電子皮膚是一種重要的生物醫(yī)學(xué)傳感器，要求器件擁有好的柔韌性和可伸縮性、高靈敏度、好的貼合度和舒適度。石墨烯由于其出色的導(dǎo)電性和柔韌性，是電子皮膚的理想材料。但是將石墨烯更加舒適、美觀、穩(wěn)定、可靠地貼合在皮膚表面，從而采集各種生理信號仍然是一個亟待解決的問題。記者從清華大學(xué)獲悉，清華大學(xué)微納電子系任天令教授團隊日前研發(fā)出多層石墨烯表皮電子皮膚，該器件具有極高的靈敏度，可以直接貼覆在皮膚上用于探測呼吸、心率、發(fā)聲等，在運動監(jiān)測、睡眠監(jiān)測、生物醫(yī)療等方面具有重大應(yīng)用前景。

這一成果近日在納米領(lǐng)域著名期刊《美國化學(xué)學(xué)會納米》（ACS Nano）上發(fā)表了題為《多層石墨烯表皮電子皮膚》（“Multilayer Graphene Epidermal Electronic Skin”）的研究論文。

“石墨烯由于其出色的導(dǎo)電性和柔韌性，是電子皮膚的理想材料。但是將石墨烯更加舒適、美觀、穩(wěn)定、可靠地貼合在皮膚表面，從而采集人體各種生理信號一直是一個亟待解決的關(guān)鍵問題。”任天令解釋。

任天令教授團隊基于激光還原石墨烯，將石墨烯與紋身相結(jié)合，模仿了電子皮膚的功能。可以通過電阻變化對皮膚表面的微小形變進行監(jiān)測。在圖形化的過程中，團隊在國際上首創(chuàng)了濕法剝離氧化石墨烯的新工藝，去除石墨烯氧化物，只留存石墨烯，使得器件更加美觀，靈敏度更高，耐受更高的溫度。該項技術(shù)采用水轉(zhuǎn)工藝，襯底超薄，沒有穿戴不適感。此外，由于激光直寫可編程的優(yōu)勢，石墨烯的圖案可以進行個性化設(shè)計。除了測量皮膚表面的拉伸與壓縮，這種石墨烯的紋身還可以利用犧牲層工藝轉(zhuǎn)移到多種襯底上，例如樹葉，絲綢等等。通過貼附在口罩、手腕、喉嚨、人中等多個位置分別實現(xiàn)對呼吸，心跳，語音等人體信號的測量。測試者佩戴時并不會影響正?；顒印Ｆ骷谒吆粑⒄Z音等多方面的應(yīng)用潛力，未來如果普及可以讓人們隨時隨地了解自己身體狀況。

通過對于激光直寫石墨烯圍觀紋路的觀察與分析，任天令教授團隊建立了以石墨烯條帶為基元的裂痕理論模型，較好地模擬了應(yīng)力引起的阻值變化過程。“多層石墨烯表皮電子皮膚可以通過電阻變化實現(xiàn)對皮膚表面的微小形變等的監(jiān)測，通過貼附在口罩、手腕、喉嚨等多個位置分別實現(xiàn)對呼吸、心跳、語音等生理體征信號的測量。”任天令說。

近年來，任天令教授致力于石墨烯器件的基礎(chǔ)研究和實用化應(yīng)用的探索，尤其關(guān)注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類傳感器件方面已獲得了多項創(chuàng)新成果，如柔性石墨烯發(fā)聲器件、新型石墨烯阻變存儲器、光譜可調(diào)的石墨烯發(fā)光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調(diào)石墨烯應(yīng)力傳感器、仿生石墨烯壓力傳感器、極低功耗石墨烯鈣鈦礦阻變存儲器等相關(guān)成果，有多篇論文發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）《先進材料》（Advanced Materials）《納米快報》（Nano Letters）《美國化學(xué)學(xué)會納米》（ACS Nano）等國際著名期刊。