貼于人體與物體表面的定制化石墨烯“電子皮膚”

使用世界最薄材料石墨烯制成，可探測(cè)呼吸心率等生理信號(hào)；未來可實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)早期疾病特征。

貼附一片超薄的“電子皮膚”便能探測(cè)出人體生理信號(hào)，將一些疾病防患于未然。這一科幻場(chǎng)景或許將在不遠(yuǎn)的未來變成現(xiàn)實(shí)。

近日，清華大學(xué)微納電子系任天令教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出多層石墨烯表皮電子皮膚，該器件具有極高靈敏度，可直接貼覆于皮膚探測(cè)呼吸、心率、發(fā)聲等人體信號(hào)，在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、睡眠監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療等方面具有重大應(yīng)用前景。

皮膚作為人體最大的器官，負(fù)責(zé)人體內(nèi)部與外界環(huán)境的交互。在其柔軟的組織下面分布著一個(gè)龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)時(shí)獲得溫度、壓力、氣流等外界信息的變化。電子皮膚通過模擬人類皮膚的傳感功能，或能實(shí)現(xiàn)或超越皮膚的傳感性能。近些年該項(xiàng)研究發(fā)展迅速，成為一種重要的生物醫(yī)學(xué)傳感器。

“研究電子皮膚是為了更好的收集體征信號(hào)，能夠了解人的身體狀況，在早期發(fā)現(xiàn)疾病特征，將疾病扼殺在萌芽之中。”該成果論文的第一作者喬彥聰解釋開展這項(xiàng)研究的初衷。

■ 揭秘

1 電子皮膚用何材料制成？

國(guó)內(nèi)外有利用不同材料制作電子皮膚的“原材料”嘗試，這些材料需具備好的柔韌性和可伸縮性、高靈敏度、好的貼合度和舒適度。

清華大學(xué)任天令教授團(tuán)隊(duì)利用的材料是石墨烯。記者了解到，“石墨烯＋電子皮膚”的組合，在國(guó)內(nèi)外研究中剛剛起步。石墨烯是世界上最薄的材料，其出色的導(dǎo)電性和柔韌性，是電子皮膚的理想材料。

如何將石墨烯更穩(wěn)定可靠地貼在皮膚表面，從而采集人體生理信號(hào)一直是亟待解決的關(guān)鍵問題，也是該領(lǐng)域研究難點(diǎn)。

任天令教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造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，使器件更美觀、靈敏度更高、可耐受更高溫度。“如果沒有剝離工藝，外加力的時(shí)候，殘留石墨烯氧化物會(huì)分散部分受力，從而降低器件靈敏度。”任天令說。

任天令介紹，此次使用的是多層石墨烯。“單層石墨烯的厚度只有三億分之一米，但由于相對(duì)脆弱所以處理起來比較困難。此外，低缺陷單層石墨烯生長(zhǎng)成本相對(duì)較高。為了提高可操作性，我們制備的多層石墨烯，不僅降低了制備成本，而且提高了器件靈敏度。”

2 如何探測(cè)人體生理信號(hào)？

脈搏呼吸等機(jī)械信號(hào)讓電子皮膚傳感部分的電阻值發(fā)生變化，通過分析這個(gè)電信號(hào)則可分析體征信號(hào)。解決原材料問題后，剝離后的石墨烯作為基底如何貼合在人體表面、探測(cè)體征信號(hào)成了下一個(gè)難題。

通過對(duì)激光直寫石墨烯微觀結(jié)構(gòu)的分析研究，任天令團(tuán)隊(duì)建立了以石墨烯帶狀結(jié)構(gòu)為基元的裂痕理論模型，較好模擬了由應(yīng)力引起的阻值變化過程。任天令解釋，通過在電子顯微鏡下觀察裂痕形貌，發(fā)現(xiàn)了兩種不同的裂痕，隨后進(jìn)行了模型仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

“其實(shí)這個(gè)模型在現(xiàn)實(shí)中就有非常形象的對(duì)應(yīng)，我們吃牛肉干時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)牛肉干是有紋路的，你沿不同方向撕牛肉干所需力量是不同的，紋路的斷裂在不同方向是不一樣的，科學(xué)的講就是‘各向異性的’。”任天令說。

摸清石墨烯的特點(diǎn)后，便可通過電阻值的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理信息的監(jiān)測(cè)和分析。電子皮膚貼附在口罩、手腕、喉嚨等不同位置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸、心跳、語音等生理體征信號(hào)的測(cè)量。測(cè)量心率可貼合在胸口、手腕、指尖，測(cè)量呼吸可貼合在人中、喉部。“貼合在人體任何部位都沒問題，但要根據(jù)實(shí)際情況確定貼合部位。”任天令說。

據(jù)介紹，這款電子皮膚可穩(wěn)定工作10小時(shí)以上，還可以定制圖案。

“現(xiàn)在還在進(jìn)行后端研發(fā)，希望完成一個(gè)便攜式系統(tǒng)，讓大家隨時(shí)隨地了解自己的體征信號(hào)。”論文第一作者喬彥聰說。

■ 前瞻

“未來可將疾病扼殺在萌芽”

電子皮膚的傳感功能，在機(jī)器人醫(yī)療檢測(cè)和診斷等方面展現(xiàn)了光明的應(yīng)用前景。近年來，關(guān)于電子皮膚的研究不斷“開花”。

2017年6月，中科院半導(dǎo)體研究所開發(fā)了一種可直接貼附在人體表面的超薄高像素柔性電子皮膚陣列。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的傳感器對(duì)環(huán)境壓力展現(xiàn)出超高的靈敏度，設(shè)計(jì)的微米級(jí)超薄可拉伸襯底及蛇形電極結(jié)構(gòu)，使得器件不僅彈性好，也不易損壞。

今年6月，約翰·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)研究出一種能感知疼痛和觸感的電子皮膚，包裹這種電子皮膚的假體能幫助截肢患者避免受到傷害。將電子皮膚的傳感器通過放置在皮膚上的電極連接到佩戴者的假體上，與真正的神經(jīng)傳遞信號(hào)的方式相似，這樣根據(jù)電子裝置傳遞的不同脈沖模式，電子皮膚能夠傳遞從輕觸到疼痛的一系列感覺。

任天令表示，電子皮膚能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體狀況，“目前醫(yī)療領(lǐng)域愈發(fā)重視疾病預(yù)防，如果我們能夠在疾病初期就監(jiān)測(cè)到其信號(hào)，就能將其扼殺在萌芽，這樣不僅能減輕患者痛苦，還能降低治療成本，對(duì)國(guó)計(jì)民生是巨大的福祉。”

■ 簡(jiǎn)介

一毫克石墨烯可承重一只貓

作為目前世界上最薄、最堅(jiān)硬的材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”。

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫制成了世界上最薄、強(qiáng)度最高的材料石墨烯。6年后，兩位科學(xué)家因在石墨烯研究方面的卓越成就被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，進(jìn)一步將石墨烯推向科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

石墨烯僅一個(gè)原子厚，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高出百倍。它的柔韌性驚人，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸20%。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。

“石墨烯良好的機(jī)械性能及其厚度使之具有良好的柔韌性，可隨人體表面的形變而變化。同時(shí)石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，對(duì)機(jī)械信號(hào)能產(chǎn)生明顯的響應(yīng)使之轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)。”任天令說。

基于這些特性，石墨烯研究近年有了長(zhǎng)足發(fā)展。2017年，清華任天令團(tuán)隊(duì)曾首次實(shí)現(xiàn)石墨烯智能人工喉。該新型智能器件具有聲音收發(fā)一體化的特點(diǎn)，既能接收聲音，又可發(fā)射聲音，并且具有良好的生物兼容性，貼附在聾啞人喉部便可以輔助聾啞人“開口說話”。