贴片“纹身”搞定疾病预警:石墨烯电子皮肤展现光明前景

仅需在皮肤表面贴附一片薄薄的“纹身”,便可以实现心律、心电、血压、呼吸、睡眠等人体信号的采集与监测,甚至还有望辅助聋哑人及喉部切除患者重构发声能力。这种神奇的“纹身”就是清华大学微…

仅需在皮肤表面贴附一片薄薄的“纹身”,便可以实现心律、心电、血压、呼吸、睡眠等人体信号的采集与监测,甚至还有望辅助聋哑人及喉部切除患者重构发声能力。这种神奇的“纹身”就是清华大学微纳电子系任天令教授团队的研发成果——石墨烯电子皮肤。

不同于传统可穿戴设备,电子皮肤能够真正与人体形成紧密界面,合二为一,在佩戴方式与信号质量等方面都具有明显优势,被认为是下一代生理信号监测系统的形态。

任天令课题组基于激光还原石墨烯,将石墨烯与纹身结合,模仿电子皮肤的功能。任天令告诉《中国科学报》,石墨烯电子皮肤灵敏度极高,在运动监测、睡眠监测、生物医疗等方面都具有重大应用前景。

石墨烯优势倍显

石墨烯被称为“黑金”,是世界上最薄、最坚硬的材料,也被誉为材料之王。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,可承受一只猫的重量,而其本身重量不足1毫克,只相当于猫的一根胡须。

任天令课题组成员、清华大学微纳电子系乔彦聪博士对《中国科学报》介绍说,石墨烯单层厚度仅为0.34纳米,大约为头发丝厚度的20万分之一,这也决定了它天然具有很好的柔韧性。

乔彦聪表示,石墨烯具有优异的导电性能,能够作为生理电极监测心电图、脑电图等信号;通过结构设计还可以将石墨烯制备成多孔结构,将微弱的机械振动转化为其电阻的变化,从而用于监测脉搏、呼吸、关节运动等力学信号;

不仅如此,石墨烯还拥有很高的热导率,目前已经应用于华为MATE手机散热之中。同时,它还能够高效的将电信号转化为热信号,不仅能应用于柔性热源,还可通过热信号转化为空气振动从而作为柔性声源。

“这些性能都决定了石墨烯可以作为多功能电子皮肤的材料。”乔彦聪表示,由于石墨烯为单原子层,其两侧都为表层原子,因此具有极大的比表面积,可以通过在其表面修饰抗体等测量血液汗液中的一些成分。

任天令课题组就将激光直写石墨烯与超薄柔性衬底相结合,实现了类纹身石墨烯电子皮肤,整个器件像纹身一样与皮肤形成紧密贴合,贴敷于皮肤上不影响正常生活,佩戴舒适。

任天令表示,由于在实际应用中,电子皮肤需要在大形变条件下工作,单层或少层石墨烯需要封装、结构设计等方法才能稳定工作,所以在使用方面存在局限性。基于激光直写方法制备多层石墨烯则可克服上述局限,不仅适用于大形变条件,还能根据个人喜好自行设计图案,同时具有制备效率高、成本低等优势。

目前,激光直写石墨烯已经形成了一个完整的系统,可以高效率大面积制备多层多孔石墨烯,为电子皮肤器件的研发提供了材料基础。

实用仍在推进

目前,任天令课题组正在开展电子皮肤用于心电图、血压、步态、语音等信号的研究。例如,使用石墨烯作为生理电极与柔性印刷电路板结合用于实时监测心电图。

据乔彦聪介绍,该系统与人工智能算法相结合可以实现心电图的实时监测与诊断,对于心律不齐的诊断正确率能够达到92.65%。此外,使用石墨烯制作的压力传感器还可以植入衣物、护腕、鞋垫等,监测脉搏、血压、步态等信号。

值得关注的是,基于石墨烯优异的收发声性能,任天令课题组还将石墨烯声源与石墨烯应力传感器相结合并集成在同一器件上,首次实现了石墨烯智能人工喉,并在柔性可贴附、声音收发系统集成、动作监测系统、轻型可穿戴等方面实现突破,改进开发了第二代石墨烯智能人工喉。改良后的器件不仅能够探测声音震动而且可以实现发声,有望辅助聋哑人以及喉部切除患者重构发声能力。

“这些工作都在与医院合作并积极推动成果应用转化。”乔彦聪说。

“该工作充分利用了石墨烯低热容量特性,应用在超声频段特别高效。”加州大学伯克利分校教授Alex Zettl评价道,基于石墨烯热声效应的新型声源器件,揭示了石墨烯热声效应机理,首次实现了石墨烯声源器件,发现了石墨烯层数越少声强越高的特性,拓展了石墨烯在声学领域的应用。

不过,任天令坦言,石墨烯电子皮肤在采集人体信号时需更好的解决一些问题。首先,由于石墨烯作为纳米材料在测量信号时过于灵敏,环境中微弱干扰都会被探测到,提高了在后端信号处理方面的难度。其次,由于现有的商用信号传输、处理、显示系统基于硬质封装芯片,柔性电子皮肤与现有的嵌入式系统还存在匹配问题。

“目前,包括我们课题组在内的科研人员都在研究包含信号采集传输处理为一体的全柔性电子皮肤系统。”任天令对记者说。

未来研发方向

实际上,电子皮肤是一个集材料、器件、电路、算法为一体的综合系统,要想真正实现商业化,还有很多方面需要进一步优化。

“我们团队目前正在致力于实现全柔性电子皮肤系统,提高其佩戴舒适度,同时与人工智能算法结合实现生理信号实时监测与诊断。”任天令说。

当前,柔性能源器件功率问题是限制整个系统柔性化的重要因素之一。任天令表示,目前,柔性能量收集与存储装置主要有纳米发电机、生物燃料电池、超级电容器等。如何驱动以蓝牙为代表的通讯模块长时间工作,是柔性能源研究发展的重要目标。

此外,电子皮肤可以与人体形成紧密的贴合,如何实现皮肤代谢物的排出也是影响设备舒适度的重要问题,而电子皮肤的商业化也必定需要其具备舒适的佩戴形态。因而,基于织物衬底或者与衣物等相融合的电子皮肤,具有很大的发展潜力。

不仅如此,电子皮肤不仅具有传感模块,还集成有信号处理等电路模块,而现有的集成电路芯片大部分基于硬制基底与封装,制约着全柔性系统的实现。实现集成电路芯片或封装的柔性化,对于进一步提升电子皮肤的可穿戴性有着重要作用,这也是任天令课题组需要攻关的方向。

乔彦聪还表示,大量数据训练对于人工智能算法的优化具有重要意义,而电子皮肤与人体相融合,可以随时随地测量生理信号,能够极大地丰富数据量与人工智能完美互补。因此相关数据库与算法的搭建对于电子皮肤的应用推广具有重要意义。

未来,依托电子皮肤式生理信号监测系统的优势,可以在日常生活中实现疾病早期筛查、突发疾病预警等功能,也可以指导慢性病患者日常的生活,提高他们的生活质量。同时,在任天令看来,随着技术的不断发展,医院大型检测设备将会出现小型化、无创化、电子皮肤化的发展趋势,可以有效减轻患者的痛苦、提升就诊体验。

来源:中国科学报

作者:李惠钰

作者: qingyun

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