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清华大学在纹身式电子皮肤方面取得突破

导读: 电子皮肤是一种重要的生物医学传感器,要求器件拥有好的柔韧性和可伸缩性、高灵敏度、好的贴合度和舒适度。石墨烯由于其出色的导电性和柔韧性,是电子皮肤的理想材料。

近日,清华大学微纳电子系任天令教授团队在纳米领域著名期刊《美国化学学会纳米》(ACS Nano)上发表了题为《多层石墨烯表皮电子皮肤》(“Multilayer Graphene Epidermal Electronic Skin”)的研究论文。该器件实现了可定制的石墨烯电子纹身,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、发声等多重功能,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。

清华大学在纹身式电子皮肤方面取得突破

图1 贴覆于人体与物体表面的定制化石墨烯纹身

电子皮肤是一种重要的生物医学传感器,要求器件拥有好的柔韧性和可伸缩性、高灵敏度、好的贴合度和舒适度。石墨烯由于其出色的导电性和柔韧性,是电子皮肤的理想材料。但是将石墨烯更加舒适、美观、稳定、可靠地贴合在皮肤表面,从而采集各种生理信号仍然是一个亟待解决的问题。

任天令教授团队基于激光还原石墨烯,将石墨烯与纹身相结合,模仿了电子皮肤的功能。可以通过电阻变化对皮肤表面的微小形变进行监测。在图形化的过程中,团队在国际上首创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,使得器件更加美观,灵敏度更高,耐受更高的温度。该项技术采用水转工艺,衬底超薄,没有穿戴不适感。此外,由于激光直写可编程的优势,石墨烯的图案可以进行个性化设计。除了测量皮肤表面的拉伸与压缩,这种石墨烯的纹身还可以利用牺牲层工艺转移到多种衬底上,例如树叶,丝绸等等。通过贴附在口罩、手腕、喉咙、人中等多个位置分别实现对呼吸,心跳,语音等人体信号的测量。测试者佩戴时并不会影响正常活动。器件在睡眠呼吸、语音等多方面的应用潜力,未来如果普及可以让人们随时随地了解自己身体状况。

清华大学在纹身式电子皮肤方面取得突破

图2 剥离工艺可以大幅度提高传感器灵敏度以便于测量各种生理学信号

通过对于激光直写石墨烯围观纹路的观察与分析,任天令教授团队建立了以石墨烯条带为基元的裂痕理论模型,较好地模拟了应力引起的阻值变化过程。近年来,任天令教授致力于石墨烯器件的基础研究和实用化应用的探索,尤其关注研究突破传统器件限制的新型微纳电子器件,在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已获得了多项创新成果,如柔性石墨烯发声器件、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器、仿生石墨烯压力传感器、极低功耗石墨烯钙钛矿阻变存储器等相关成果,有多篇论文发表于《自然通讯》(Nature Communications)《先进材料》(Advanced Materials)《纳米快报》(Nano Letters)《美国化学学会纳米》(ACS Nano)等国际著名期刊。

清华大学微纳电子系博士生乔彦聪等为文章的共同第一作者,微纳电子系任天令教授及其团队教师是论文的通讯作者,该研究成果得到了国家自然基金重点项目和科技部项目的支持。

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