清華大學成功研發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學傳感器，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。記者從清華大學獲悉，清華大學微納電子系任天令教授團隊日前研發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、發聲等，在運動監測、睡眠監測、生物醫療等方面具有重大應用前景。

這一成果近日在納米領域著名期刊《美國化學學會納米》（ACS Nano）上發表了題為《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鍵問題?！比翁炝罱忉?。

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合，模仿了電子皮膚的功能?？梢酝ㄟ^電阻變化對皮膚表面的微小形變進行監測。在圖形化的過程中，團隊在國際上首創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。該項技術采用水轉工藝，襯底超薄，沒有穿戴不適感。此外，由于激光直寫可編程的優勢，石墨烯的圖案可以進行個性化設計。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?。器件在睡眠呼吸、語音等多方面的應用潛力，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，較好地模擬了應力引起的阻值變化過程?！岸鄬邮┍砥る娮悠つw可以通過電阻變化實現對皮膚表面的微小形變等的監測，通過貼附在口罩、手腕、喉嚨等多個位置分別實現對呼吸、心跳、語音等生理體征信號的測量?！比翁炝钫f。

近年來，任天令教授致力于石墨烯器件的基礎研究和實用化應用的探索，尤其關注研究突破傳統器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學器件和各類傳感器件方面已獲得了多項創新成果，如柔性石墨烯發聲器件、新型石墨烯阻變存儲器、光譜可調的石墨烯發光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調石墨烯應力傳感器、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成果，有多篇論文發表于《自然通訊》（Nature Communications）《先進材料》（Advanced Materials）《納米快報》（Nano Letters）《美國化學學會納米》（ACS Nano）等國際著名期刊。