清华大学研制出电子皮肤,可感知人体体征信号

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近日,清华大学微纳电子系任天令教授团队研发出多层石墨烯表皮电子皮肤,该器件具有极高灵敏度,可直接贴覆于皮肤探测呼吸、心率、发声等人体信号,在运动监测、睡眠监测、生物医疗等方面具有重大应用前景。
 
皮肤作为人体最大的器官,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。电子皮肤通过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。近些年该项研究发展迅速,成为一种重要的生物医学传感器。
 
“研究电子皮肤是为了更好的收集体征信号,能够了解人的身体状况,在早期发现疾病特征,将疾病扼杀在萌芽之中。”该成果论文的第一作者乔彦聪解释开展这项研究的初衷。
 
■揭秘
 
1 电子皮肤用何材料制成?
 
国内外有利用不同材料制作电子皮肤的“原材料”尝试,这些材料需具备好的柔韧性和可伸缩性、高灵敏度、好的贴合度和舒适度。
 
清华大学任天令教授团队利用的材料是石墨烯。记者了解到,“石墨烯+电子皮肤”的组合,在国内外研究中刚刚起步。石墨烯是世界上最薄的材料,其出色的导电性和柔韧性,是电子皮肤的理想材料。
 
如何将石墨烯更稳定可靠地贴在皮肤表面,从而采集人体生理信号一直是亟待解决的关键问题,也是该领域研究难点。
 
任天令教授团队创造了湿法剥离氧化石墨烯的新工艺。去除石墨烯氧化物,只留存石墨烯,使器件更美观、灵敏度更高、可耐受更高温度。“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。”任天令说。
 
任天令介绍,此次使用的是多层石墨烯。“单层石墨烯的厚度只有三亿分之一米,但由于相对脆弱所以处理起来比较困难。此外,低缺陷单层石墨烯生长成本相对较高。为了提高可操作性,我们制备的多层石墨烯,不仅降低了制备成本,而且提高了器件灵敏度。”
 
2 如何探测人体生理信号?
 
脉搏呼吸等机械信号让电子皮肤传感部分的电阻值发生变化,通过分析这个电信号则可分析体征信号。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、探测体征信号成了下一个难题。
 
通过对激光直写石墨烯微观结构的分析研究,任天令团队建立了以石墨烯带状结构为基元的裂痕理论模型,较好模拟了由应力引起的阻值变化过程。任天令解释,通过在电子显微镜下观察裂痕形貌,发现了两种不同的裂痕,随后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。
 
“其实这个模型在现实中就有非常形象的对应,我们吃牛肉干时会发现牛肉干是有纹路的,你沿不同方向撕牛肉干所需力量是不同的,纹路的断裂在不同方向是不一样的,科学的讲就是‘各向异性的’。”任天令说。
 
摸清石墨烯的特点后,便可通过电阻值的变化实现对人体生理信息的监测和分析。电子皮肤贴附在口罩、手腕、喉咙等不同位置,可实现对呼吸、心跳、语音等生理体征信号的测量。测量心率可贴合在胸口、手腕、指尖,测量呼吸可贴合在人中、喉部。“贴合在人体任何部位都没问题,但要根据实际情况确定贴合部位。”任天令说。
 
据介绍,这款电子皮肤可稳定工作10小时以上,还可以定制图案。
 
“现在还在进行后端研发,希望完成一个便携式系统,让大家随时随地了解自己的体征信号。”论文第一作者乔彦聪说。
 
■前瞻
 
“未来可将疾病扼杀在萌芽”
 
电子皮肤的传感功能,在机器人医疗检测和诊断等方面展现了光明的应用前景。近年来,关于电子皮肤的研究不断“开花”。
 
2017年6月,中科院半导体研究所开发了一种可直接贴附在人体表面的超薄高像素柔性电子皮肤阵列。该团队设计的传感器对环境压力展现出超高的灵敏度,设计的微米级超薄可拉伸衬底及蛇形电极结构,使得器件不仅弹性好,也不易损坏。
 
今年6月,约翰·霍普金斯大学医学院的研究团队研究出一种能感知疼痛和触感的电子皮肤,包裹这种电子皮肤的假体能帮助截肢患者避免受到伤害。将电子皮肤的传感器通过放置在皮肤上的电极连接到佩戴者的假体上,与真正的神经传递信号的方式相似,这样根据电子装置传递的不同脉冲模式,电子皮肤能够传递从轻触到疼痛的一系列感觉。
 
任天令表示,电子皮肤能实时监测人体状况,“目前医疗领域愈发重视疾病预防,如果我们能够在疾病初期就监测到其信号,就能将其扼杀在萌芽,这样不仅能减轻患者痛苦,还能降低治疗成本,对国计民生是巨大的福祉。”
 
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