清華大學團隊成功研發出可測人體信號的電子皮膚

7月24日微納電子系任天令教授團隊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。該器件實現了可定製的石墨烯電子紋身，具有極高的靈敏度，可以直接貼覆在皮膚上用於探測呼吸、心率、發聲等多重功能，未來在運動監測、睡眠監測、生物醫療等方面具有重大應用前景。

圖1. 貼覆於人體與物體表面的定製化石墨烯紋身

電子皮膚是一種重要的生物醫學感測器，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。石墨烯由於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，從而採集各種生理信號仍然是一個亟待解決的問題。

任天令教授團隊基於激光還原石墨烯，將石墨烯與紋身相結合，模仿了電子皮膚的功能。可以通過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。該項技術採用水轉工藝，襯底超薄，沒有穿戴不適感。此外，由於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。測試者佩戴時並不會影響正常活動。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。

圖2. 剝離工藝可以大幅度提高感測器靈敏度以便於測量各種生理學信號

通過對於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。近年來，任天令教授致力於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感測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、可調石墨烯應力感測器、仿生石墨烯壓力感測器、極低功耗石墨烯鈣鈦礦阻變存儲器等相關成果，有多篇論文發表於《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。

微納電子系博士生喬彥聰等為文章的共同第一作者，微納電子系任天令教授及其團隊教師是論文的通訊作者，該研究成果得到了國家自然基金重點項目和科技部項目的支持。

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