清华研发：用于检测呼吸心率等信号的石墨烯电子皮肤

清华研发：用于检测呼吸心率等信号的石墨烯电子皮肤

贴上一块薄薄的电子皮肤，可以检测人体的生理信号，预防某些疾病的发生，这种科幻场景在不久的将来可能成为现实。

近日，清华大学微电子与纳米电子学系任天玲教授研制出一种多层石墨烯表皮电子皮肤。该装置灵敏度高，可直接应用于皮肤检测呼吸、心率、发声等人体信号。它在运动监测、睡眠监测、生物医学治疗等方面具有广阔的应用前景。

皮肤作为人体最大的器官，负责内外环境的相互作用，在其软组织下，有一个巨大的传感器网络，可以实时获取温度、压力、气流等外部信息的变化，电子皮肤可以实现或超越人体皮肤的传感功能。近年来，通过对人体皮肤传感功能的模拟，研究得到了迅速发展，成为一种重要的生物医学传感器。

电子皮肤研究的目的是为了更好地收集体征，了解人们的身体状况，了解疾病的早期特征，将疾病扼杀在萌芽状态。本文第一作者乔燕聪解释了研究的目的。

在国内外，人们尝试用不同的材料制作电子皮肤。这些材料需要有良好的灵活性和灵活性，高灵敏度，良好的适合性和舒适性。

清华大学任天玲教授使用的材料是石墨烯，记者了解到石墨烯与电子皮肤的结合在国内外刚刚起步，石墨烯是世界上最薄的材料。它具有良好的导电性和柔韧性。它是一种理想的电子皮肤材料。

如何将石墨烯更稳定、可靠地粘附在皮肤表面采集人体生理信号，是目前亟待解决的关键问题，也是该领域的一个研究难点。

任天玲教授的团队创造了一种新的氧化石墨烯湿剥离工艺，去除氧化石墨烯，只留下石墨烯，使器件更美观、更灵敏，并能承受更高的温度，如果没有剥离工艺，残留的氧化石墨烯在施加时会分散部分力，从而降低了表面粗糙度。装置的灵敏度。任天玲说。

任天玲介绍了多层石墨烯的使用，单层石墨烯厚度仅为1米的三分之一，但由于其相对脆弱性，很难处理，另外，低缺陷单层石墨烯的生长成本相对较高，为了提高可操作性，我们制备了多层石墨烯，它不仅可以提高单层石墨烯的可操作性。降低了制备成本，同时提高了器件的灵敏度。

机械信号，如脉冲呼吸，改变电子皮肤传感器的电阻。通过对该电信号的分析，我们可以对该信号进行分析，在解决了原材料问题之后，下一个问题是如何将石墨烯作为人体表面的基片进行匹配和检测。

通过激光直写对石墨烯微观结构的分析和研究，任天玲的团队建立了基于石墨烯带状结构的理论裂纹模型，模拟了应力引起的电阻变化过程，任天玲解释说，在电子显微镜下观察了断裂形态。发现了两种不同类型的裂纹，并进行了模型仿真和实验验证。模拟结果与实验结果吻合较好。

事实上，这个模型在现实中有着非常生动的对应关系。当我们吃牛肉干时，我们会发现牛肉干有皱纹。沿着不同的方向撕开牛肉干所需要的力是不同的。不同方向的断线是不同的。科学是各向异性的。

在了解石墨烯的特性后，我们可以通过电阻值的变化来监测和分析人体的生理信息，电子皮肤附着在口罩、手腕和喉咙等不同的位置，可以测量呼吸、心跳和声音等生理信号，心率可以是m。对胸部、手腕和指尖进行测量，呼吸可以在人体和喉部进行测量。人体的任何部位都适合，但适合的部位应该根据实际情况来确定。任天玲说。

现在我们仍在开发后端系统，希望能完成一个便携式系统，让你随时随地都能知道自己的标志。

电子皮肤的传感功能在机器人的医学检测和诊断中有着广阔的应用前景，近年来，电子皮肤的研究正蓬勃发展。

2017年6月，中国科学院半导体研究所研制出一种超薄、高像素、可直接贴附于人体表面的柔性电子皮肤阵列，该团队设计的传感器对环境压力具有超灵敏。微米级超薄可拉伸基板和蛇形电极结构使器件不仅具有弹性，而且容易损坏。

六月，约翰霍普金斯大学医学院的一组研究人员开发出一种能感知疼痛和触摸的电子皮肤。包裹电子皮肤的假体有助于截肢者避免受伤，电子皮肤的传感器通过放置在皮肤上的电极与佩戴者的假体相连，类似于真实神经传递信号的方式，这样电子皮肤就可以根据电子设备传递的不同脉冲模式，传送一个从轻微接触到疼痛的一系列感觉。

任天玲说，电子皮肤可以实时监测人体状况。目前，医学界对疾病预防的重视程度越来越高。如果我们能在疾病的早期监测信号，我们就能把它扼杀在萌芽状态。这不仅可以减轻病人的痛苦，而且可以降低治疗费用，这对国民来说是一项巨大的福利。

2004年，曼彻斯特大学的科学家安德烈·海姆和康斯坦蒂诺沃·肖洛夫制造了石墨烯，这是世界上最薄、最结实的材料。6年后，这两位科学家因在石墨烯研究方面的杰出成就而获得了诺贝尔物理学奖，进一步将石墨烯推向科学研究的前沿。

石墨烯只有一个原子厚，其断裂强度比最好的钢高100倍，其柔韧性令人惊叹，其拉伸范围可达其尺寸的20%。如果吊床是由面积为1平方米的石墨烯制成的，它能承受猫的重量，重量小于1毫克，相当于只有一个猫的胡须。

石墨烯具有良好的机械性能和厚度，使其具有柔韧性，并能随着人体表面的变形而变化。同时，石墨烯具有良好的导电性，能对机械信号产生明显的响应，并将其转换成可测量的电信号。任天玲说。

基于这些特点，近年来石墨烯的研究取得了很大进展，2017年清华任天灵团队首次实现了石墨烯智能人工喉，这种新型智能设备具有语音收发一体化的特点。它不仅能接收声音，还能发出声音。具有良好的生物相容性。它可以附着在聋哑人的喉咙上，帮助他们说话。

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