作者: 袁一雪 来源:中国科学报 发布时间:2018/8/24 9:19:11
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电子皮肤知健康

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■本报记者 袁一雪

从生病后才去医院看病,到主动体检,争取早发现早治疗,再到主动预防、主动监测身体状况,人类对于健康与疾病认识的改变,历经了成百年上千年。近几年,人们用于监测健康状况的仪器越来越小巧,甚至手环、戒指都成为了随时监测心跳、运动情况的设备。

而随着材料学科的发展,一些几乎与皮肤一样薄软的材料让科学家研发出了“电子皮肤”,为需要皮肤移植的病人和义肢的制作带来了新希望,同时也为健康监测提供了一种新思路。

近日,清华大学微纳电子系教授任天令带领团队以石墨烯为材料,研发出多层石墨烯表皮电子皮肤。它具有极高的灵敏度,可以直接贴覆在皮肤上用于探测呼吸、心率、发声等,未来在运动监测、睡眠监测、生物医疗等方面具有重大应用前景。这一成果日前发表在纳米领域期刊《美国化学学会·纳米》上。

电子皮肤与石墨烯

与人体其他器官相比,皮肤是人体最大的器官,负责人体内部与外界环境的交互。在其柔软的组织下面分布着一个庞大的传感器网络,可实时获得温度、压力、气流等外界信息的变化。而且,作为保护人体的第一道防线,皮肤兼顾柔性与韧性。

为了模仿皮肤的特点,国内外的研究人员利用不同材料制作电子皮肤的“原材料”尝试,希望有一种材料可以模拟人类皮肤的传感功能,或能实现或超越皮肤的传感性能。

石墨烯以其高强度和良好的韧性受到不少学科领域研究者的青睐,这与人体皮肤组织不谋而合,自然也被列为电子皮肤材料的选择之一。不过,这一研究在国内外都只是刚刚起步。而且,拥有出色的导电性和柔韧性的石墨烯如何舒适、美观、稳定、可靠地贴合在皮肤表面,从而采集人体生理信号一直是亟待解决的关键问题,是困扰研究人员的问题,也是这个领域的难点。

为了解决这一问题,任天令带领团队使用了新型衬底,使得石墨烯能够像文身一样贴合在皮肤上,从而更好地获取人体信号。“此外,我们开发了新型湿法剥离石墨烯氧化物工艺,进一步提高了器件的灵敏度。相比于其他电子皮肤,我们的器件能够更好地贴附于皮肤之上,且具有更高的灵敏度。”任天令在接受《中国科学报》记者采访时解释说。

自主创新路

新型湿法剥离石墨烯氧化物工艺是任天令等人独创的新工艺。“如果没有剥离工艺,外加力的时候,残留石墨烯氧化物会分散部分受力,从而降低器件灵敏度。经过新工艺处理后的石墨烯,被剔除了石墨烯氧化物,进一步提高了器件的灵敏度,同时也进一步提高了器件佩戴的舒适度与方便性。”

更值得一提的是,这一新工艺建立在任天令团队创立的“以石墨烯带状结构为基元的裂痕理论模型”上,后者是研究人员通过对激光直写石墨烯微观结构分析研究后的成果。而在之前,研究人员从未分析激光纹路与器件特性之间的关系。“这次我们在制备器件时,发现了器件出现了两种特性,这令我们大为不解。因此我们从最本质的石墨烯微观结构出发进行分析。”任天令解释说,“其实,这个模型在现实中就有非常形象的对应,我们吃牛肉干的时候会发现牛肉干是有纹路的,当你沿不同方向去撕牛肉干的时候所需要的力量是不同的,纹路的断裂延不同方向是不一样的,科学地讲是‘各向异性的’。”随后研究人员进行了模型仿真和实验验证,发现仿真结果与实验结果非常吻合。而以石墨烯带状结构为基元的裂痕理论模型,较好地模拟了由应力引起的阻值变化过程。

此外,在此项研究中,研究人员选择了多层石墨烯。因为单层石墨烯的厚度只有三亿分之一米,因为比较脆弱,所以处理起来相对困难,成本也相对较高。多层石墨烯则降低了成本且提高了器件灵敏度。

面对研究中的两项创新科研成果,任天令表示,这与整个团队的共同努力密不可分,“这次建模主要是由清华大学物理系本科生王云帆完成。其间,我们团队进行了多次交流,多次修正”。

早期监测到特殊信号

在发表这次论文之前,任天令一直致力于突破传统器件限制的新型微纳电子器件的研究。去年,他就曾率团队研发了石墨烯智能人工喉。这种人工喉具有声音收发一体化的特点,既能接收声音,又可发射声音,并且具有良好的生物兼容性,贴附在聋哑人喉部便可以辅助聋哑人“开口说话”。

今年,任天令团队对石墨烯的研究再次升级。“科学研究是一个循序渐进的过程,这次的研究所使用的激光直写石墨烯工艺我们已经完善了几年,同时也进行了不断的改进。”任天令说。在解决原材料问题后,剥离后的石墨烯作为基底如何贴合在人体表面,探测体征信号呢?

其实,在摸清石墨烯的特点后,研究人员可以通过电阻值的变化实现对人体生理信息的监测和分析。例如在唇部、手腕、喉咙等不同位置放置电子皮肤,可实现对呼吸、心跳、语音等生理体征信号的测量;而在胸口、手腕、指尖等部位放置则可测量心率。据介绍,未来,这款电子皮肤可稳定工作10小时以上,还可以定制图案。

接下来,任天令还将继续开展这项研究。首先,他将进一步优化后端电路的设计,同时采集更多的信号进行分析,分析信号与体征之间的关系,结合大数据与云计算,使之能够真正造福于人类。

“电子皮肤拥有光明的应用前景,它能够实时监测身体状况。目前医疗健康领域愈发重视疾病预防,如果我们能够在疾病产生的早期监测到其特征信号,那么就能将其扼杀在萌芽之中,这样不仅能够减轻患者的痛苦,又能够降低治疗成本,这对于国计民生是巨大的福祉。”任天令说。

相关论文信息:DOI:10.1021/acsnano.8b02162

《中国科学报》 (2018-08-24 第8版 健康)
 
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