作者：袁一雪發(fā)布日期：2018-08-27
郭剛制圖
從生病后才去醫(yī)院看病，到主動(dòng)體檢，爭取早發(fā)現(xiàn)早治療，再到主動(dòng)預(yù)防、主動(dòng)監(jiān)測身體狀況，人類對(duì)于健康與疾病認(rèn)識(shí)的改變，歷經(jīng)了成百年上千年。近幾年，人們用于監(jiān)測健康狀況的儀器越來越小巧，甚至手環(huán)、戒指都成為了隨時(shí)監(jiān)測心跳、運(yùn)動(dòng)情況的設(shè)備。
而隨著材料學(xué)科的發(fā)展，一些幾乎與皮膚一樣薄軟的材料讓科學(xué)家研發(fā)出了“電子皮膚”，為需要皮膚移植的病人和義肢的制作帶來了新希望，同時(shí)也為健康監(jiān)測提供了一種新思路。
近日，清華大學(xué)微納電子系教授任天令帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以石墨烯為材料，研發(fā)出多層石墨烯表皮電子皮膚。它具有極高的靈敏度，可以直接貼覆在皮膚上用于探測呼吸、心率、發(fā)聲等，未來在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、睡眠監(jiān)測、生物醫(yī)療等方面具有重大應(yīng)用前景。這一成果日前發(fā)表在納米領(lǐng)域期刊《美國化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》上。
電子皮膚與石墨烯
與人體其他器官相比，皮膚是人體最大的器官，負(fù)責(zé)人體內(nèi)部與外界環(huán)境的交互。在其柔軟的組織下面分布著一個(gè)龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)時(shí)獲得溫度、壓力、氣流等外界信息的變化。而且，作為保護(hù)人體的第一道防線，皮膚兼顧柔性與韌性。
為了模仿皮膚的特點(diǎn)，國內(nèi)外的研究人員利用不同材料制作電子皮膚的“原材料”嘗試，希望有一種材料可以模擬人類皮膚的傳感功能，或能實(shí)現(xiàn)或超越皮膚的傳感性能。
石墨烯以其高強(qiáng)度和良好的韌性受到不少學(xué)科領(lǐng)域研究者的青睞，這與人體皮膚組織不謀而合，自然也被列為電子皮膚材料的選擇之一。不過，這一研究在國內(nèi)外都只是剛剛起步。而且，擁有出色的導(dǎo)電性和柔韌性的石墨烯如何舒適、美觀、穩(wěn)定、可靠地貼合在皮膚表面，從而采集人體生理信號(hào)一直是亟待解決的關(guān)鍵問題，是困擾研究人員的問題，也是這個(gè)領(lǐng)域的難點(diǎn)。
為了解決這一問題，任天令帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)使用了新型襯底，使得石墨烯能夠像文身一樣貼合在皮膚上，從而更好地獲取人體信號(hào)。“此外，我們開發(fā)了新型濕法剝離石墨烯氧化物工藝，進(jìn)一步提高了器件的靈敏度。相比于其他電子皮膚，我們的器件能夠更好地貼附于皮膚之上，且具有更高的靈敏度。”任天令在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)解釋說。
自主創(chuàng)新路
新型濕法剝離石墨烯氧化物工藝是任天令等人獨(dú)創(chuàng)的新工藝。“如果沒有剝離工藝，外加力的時(shí)候，殘留石墨烯氧化物會(huì)分散部分受力，從而降低器件靈敏度。經(jīng)過新工藝處理后的石墨烯，被剔除了石墨烯氧化物，進(jìn)一步提高了器件的靈敏度，同時(shí)也進(jìn)一步提高了器件佩戴的舒適度與方便性。”
更值得一提的是，這一新工藝建立在任天令團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立的“以石墨烯帶狀結(jié)構(gòu)為基元的裂痕理論模型”上，后者是研究人員通過對(duì)激光直寫石墨烯微觀結(jié)構(gòu)分析研究后的成果。而在之前，研究人員從未分析激光紋路與器件特性之間的關(guān)系。“這次我們?cè)谥苽淦骷r(shí)，發(fā)現(xiàn)了器件出現(xiàn)了兩種特性，這令我們大為不解。因此我們從最本質(zhì)的石墨烯微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行分析。”任天令解釋說，“其實(shí)，這個(gè)模型在現(xiàn)實(shí)中就有非常形象的對(duì)應(yīng)，我們吃牛肉干的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)牛肉干是有紋路的，當(dāng)你沿不同方向去撕牛肉干的時(shí)候所需要的力量是不同的，紋路的斷裂延不同方向是不一樣的，科學(xué)地講是‘各向異性的’。”隨后研究人員進(jìn)行了模型仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。而以石墨烯帶狀結(jié)構(gòu)為基元的裂痕理論模型，較好地模擬了由應(yīng)力引起的阻值變化過程。
此外，在此項(xiàng)研究中，研究人員選擇了多層石墨烯。因?yàn)閱螌邮┑暮穸戎挥腥齼|分之一米，因?yàn)楸容^脆弱，所以處理起來相對(duì)困難，成本也相對(duì)較高。多層石墨烯則降低了成本且提高了器件靈敏度。
面對(duì)研究中的兩項(xiàng)創(chuàng)新科研成果，任天令表示，這與整個(gè)團(tuán)隊(duì)的共同努力密不可分，“這次建模主要是由清華大學(xué)物理系本科生王云帆完成。其間，我們團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多次交流，多次修正”。
早期監(jiān)測到特殊信號(hào)
在發(fā)表這次論文之前，任天令一直致力于突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件的研究。去年，他就曾率團(tuán)隊(duì)研發(fā)了石墨烯智能人工喉。這種人工喉具有聲音收發(fā)一體化的特點(diǎn)，既能接收聲音，又可發(fā)射聲音，并且具有良好的生物兼容性，貼附在聾啞人喉部便可以輔助聾啞人“開口說話”。
今年，任天令團(tuán)隊(duì)對(duì)石墨烯的研究再次升級(jí)。“科學(xué)研究是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，這次的研究所使用的激光直寫石墨烯工藝我們已經(jīng)完善了幾年，同時(shí)也進(jìn)行了不斷的改進(jìn)。”任天令說。在解決原材料問題后，剝離后的石墨烯作為基底如何貼合在人體表面，探測體征信號(hào)呢？
其實(shí)，在摸清石墨烯的特點(diǎn)后，研究人員可以通過電阻值的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理信息的監(jiān)測和分析。例如在唇部、手腕、喉嚨等不同位置放置電子皮膚，可實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸、心跳、語音等生理體征信號(hào)的測量；而在胸口、手腕、指尖等部位放置則可測量心率。據(jù)介紹，未來，這款電子皮膚可穩(wěn)定工作10小時(shí)以上，還可以定制圖案。
接下來，任天令還將繼續(xù)開展這項(xiàng)研究。首先，他將進(jìn)一步優(yōu)化后端電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)采集更多的信號(hào)進(jìn)行分析，分析信號(hào)與體征之間的關(guān)系，結(jié)合大數(shù)據(jù)與云計(jì)算，使之能夠真正造福于人類。
“電子皮膚擁有光明的應(yīng)用前景，它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測身體狀況。目前醫(yī)療健康領(lǐng)域愈發(fā)重視疾病預(yù)防，如果我們能夠在疾病產(chǎn)生的早期監(jiān)測到其特征信號(hào)，那么就能將其扼殺在萌芽之中，這樣不僅能夠減輕患者的痛苦，又能夠降低治療成本，這對(duì)于國計(jì)民生是巨大的福祉。”任天令說。
相關(guān)論文信息：DOI:10.1021/acsnano.8b02162
《中國科學(xué)報(bào)》 (2018-08-24 第8版 健康)
來源：中國科學(xué)報(bào)
