貼片「紋身」搞定疾病預警:石墨烯電子皮膚展現光明前景

僅需在皮膚表面貼附一片薄薄的「紋身」,便可以實現心律、心電、血壓、呼吸、睡眠等人體信號的採集與監測,甚至還有望輔助聾啞人及喉部切除患者重構發聲能力。這種神奇的「紋身」就是清華大學微納電子系任天令教授團隊的研發成果——石墨烯電子皮膚。

作者:李惠鈺

貼片「紋身」搞定疾病預警:石墨烯電子皮膚展現光明前景

在人體、絲綢、蔬菜、蝴蝶翅膀上的石墨烯電子皮膚

不同於傳統可穿戴設備,電子皮膚能夠真正與人體形成緊密界面,合二為一,在佩戴方式與信號質量等方面都具有明顯優勢,被認為是下一代生理信號監測系統的形態。

任天令課題組基於激光還原石墨烯,將石墨烯與紋身結合,模仿電子皮膚的功能。任天令告訴《中國科學報》,石墨烯電子皮膚靈敏度極高,在運動監測、睡眠監測、生物醫療等方面都具有重大應用前景。

石墨烯優勢倍顯

石墨烯被稱為「黑金」,是世界上最薄、最堅硬的材料,也被譽為材料之王。如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床,可承受一隻貓的重量,而其本身重量不足1毫克,只相當於貓的一根胡須。

任天令課題組成員、清華大學微納電子系喬彥聰博士對《中國科學報》介紹說,石墨烯單層厚度僅為0.34納米,大約為頭發絲厚度的20萬分之一,這也決定了它天然具有很好的柔韌性。

喬彥聰表示,石墨烯具有優異的導電性能,能夠作為生理電極監測心電圖、腦電圖等信號;通過結構設計還可以將石墨烯制備成多孔結構,將微弱的機械振動轉化為其電阻的變化,從而用於監測脈搏、呼吸、關節運動等力學信號;

不僅如此,石墨烯還擁有很高的熱導率,目前已經應用於華為MATE手機散熱之中。同時,它還能夠高效的將電信號轉化為熱信號,不僅能應用於柔性熱源,還可通過熱信號轉化為空氣振動從而作為柔性聲源。

「這些性能都決定了石墨烯可以作為多功能電子皮膚的材料。」喬彥聰表示,由於石墨烯為單原子層,其兩側都為表層原子,因此具有極大的比表面積,可以通過在其表面修飾抗體等測量血液汗液中的一些成分。

任天令課題組就將激光直寫石墨烯與超薄柔性襯底相結合,實現了類紋身石墨烯電子皮膚,整個器件像紋身一樣與皮膚形成緊密貼合,貼敷於皮膚上不影響正常生活,佩戴舒適。

任天令表示,由於在實際應用中,電子皮膚需要在大形變條件下工作,單層或少層石墨烯需要封裝、結構設計等方法才能穩定工作,所以在使用方面存在局限性。基於激光直寫方法制備多層石墨烯則可克服上述局限,不僅適用於大形變條件,還能根據個人喜好自行設計圖案,同時具有制備效率高、成本低等優勢。

目前,激光直寫石墨烯已經形成了一個完整的系統,可以高效率大面積制備多層多孔石墨烯,為電子皮膚器件的研發提供了材料基礎。

實用仍在推進

目前,任天令課題組正在開展電子皮膚用於心電圖、血壓、步態、語音等信號的研究。例如,使用石墨烯作為生理電極與柔性印刷電路板結合用於實時監測心電圖。

據喬彥聰介紹,該系統與人工智能算法相結合可以實現心電圖的實時監測與診斷,對於心律不齊的診斷正確率能夠達到92.65%。此外,使用石墨烯製作的壓力傳感器還可以植入衣物、護腕、鞋墊等,監測脈搏、血壓、步態等信號。

值得關注的是,基於石墨烯優異的收發聲性能,任天令課題組還將石墨烯聲源與石墨烯應力傳感器相結合並集成在同一器件上,首次實現了石墨烯智能人工喉,並在柔性可貼附、聲音收發系統集成、動作監測系統、輕型可穿戴等方面實現突破,改進開發了第二代石墨烯智能人工喉。改良後的器件不僅能夠探測聲音震動而且可以實現發聲,有望輔助聾啞人以及喉部切除患者重構發聲能力。

「這些工作都在與醫院合作並積極推動成果應用轉化。」喬彥聰說。

「該工作充分利用了石墨烯低熱容量特性,應用在超聲頻段特別高效。」加州大學伯克利分校教授Alex Zettl評價道,基於石墨烯熱聲效應的新型聲源器件,揭示了石墨烯熱聲效應機理,首次實現了石墨烯聲源器件,發現了石墨烯層數越少聲強越高的特性,拓展了石墨烯在聲學領域的應用。

不過,任天令坦言,石墨烯電子皮膚在採集人體信號時需更好的解決一些問題。首先,由於石墨烯作為納米材料在測量信號時過於靈敏,環境中微弱干擾都會被探測到,提高了在後端信號處理方面的難度。其次,由於現有的商用信號傳輸、處理、顯示系統基於硬質封裝芯片,柔性電子皮膚與現有的嵌入式系統還存在匹配問題。

「目前,包括我們課題組在內的科研人員都在研究包含信號採集傳輸處理為一體的全柔性電子皮膚系統。」任天令對記者說。

未來研發方向

實際上,電子皮膚是一個集材料、器件、電路、算法為一體的綜合系統,要想真正實現商業化,還有很多方面需要進一步優化。

「我們團隊目前正在致力於實現全柔性電子皮膚系統,提高其佩戴舒適度,同時與人工智能算法結合實現生理信號實時監測與診斷。」任天令說。

當前,柔性能源器件功率問題是限制整個系統柔性化的重要因素之一。任天令表示,目前,柔性能量收集與存儲裝置主要有納米發電機、生物燃料電池、超級電容器等。如何驅動以藍牙為代表的通訊模塊長時間工作,是柔性能源研究發展的重要目標。

此外,電子皮膚可以與人體形成緊密的貼合,如何實現皮膚代謝物的排出也是影響設備舒適度的重要問題,而電子皮膚的商業化也必定需要其具備舒適的佩戴形態。因而,基於織物襯底或者與衣物等相融合的電子皮膚,具有很大的發展潛力。

不僅如此,電子皮膚不僅具有傳感模塊,還集成有信號處理等電路模塊,而現有的集成電路芯片大部分基於硬制基底與封裝,制約着全柔性系統的實現。實現集成電路芯片或封裝的柔性化,對於進一步提升電子皮膚的可穿戴性有着重要作用,這也是任天令課題組需要攻關的方向。

喬彥聰還表示,大量數據訓練對於人工智能算法的優化具有重要意義,而電子皮膚與人體相融合,可以隨時隨地測量生理信號,能夠極大地豐富數據量與人工智能完美互補。因此相關數據庫與算法的搭建對於電子皮膚的應用推廣具有重要意義。

未來,依託電子皮膚式生理信號監測系統的優勢,可以在日常生活中實現疾病早期篩查、突發疾病預警等功能,也可以指導慢性病患者日常的生活,提高他們的生活質量。同時,在任天令看來,隨着技術的不斷發展,醫院大型檢測設備將會出現小型化、無創化、電子皮膚化的發展趨勢,可以有效減輕患者的痛苦、提升就診體驗。

來源:cnBeta