基于足弓微结构的仿生石墨烯薄膜压力传感器用于人体生命体征检测与血管动脉硬化评估

随着新型可穿戴电子皮肤的发展,柔性压阻型力学传感器因其制备工艺简单,成本低廉以及高灵敏度和快速响应等优势逐渐受到诸多研究者的关注和研究。传统的石墨烯基压阻型力学传感器多数是基于图案化的聚合物基底做表面导电涂层处理,或者将石墨烯复合到聚合物框架中,实现不同压力下导电路径的变化,从而达到不同的电信号输出。但是由于聚合物的粘弹性或蠕变行为,通常会导致较慢的响应时间、有限的检测范围和较差的稳定性。最近具有压阻响应的三维自支撑石墨烯基压力传感器展现出了较高的灵敏度,但是传感过程中也伴随着较大的应变,限制了其在可穿戴柔性电子皮肤方面的集成和应用。因此,设计具有微结构的超薄石墨烯薄膜,赋予其较好的弹性和压阻性,从而制备具有较高灵敏度、检测范围和稳定性的压力传感器对可穿戴电子皮肤的发展和应用具有重要价值和意义。

作为自然界中常见的压力缓冲系统,人体的足弓结构可以承受较大的压力从而保护人体受到较大冲击时不受伤害。近日,受到人体拱形的足弓结构启发,中科院长春应用化学研究所现代分析技术工程实验室及广州大学分析科学技术研究中心牛利研究员及其研究团队,采用具有规则编制结构的不锈钢网为模板制备了一种具有拱形微结构的弹性石墨烯薄膜,基于此,组装的压力传感器可以在较小应变范围内承受较大的压力,并可实现较好的压力响应。研究制备的压力传感器可实现较大的灵敏度(0.736 kPa-1)和较宽的检测范围(2.1Pa-200kPa)。另外,由于薄膜自身的弹性,避免了采用以聚合物作为弹性体带来的蠕变行为,具有较快的响应时间(21.5ms)和较高的稳定性。该方法组装的压力传感器可以实现最小2.1Pa的压力检测限,即使当七星瓢虫爬行经过压力传感器时也可以采集到信号。同时,由于薄膜优异的导电性,压力传感器在1mV的工作电压下仍能正常工作,最低功耗仅为0.66nW。由于压力传感器轻薄,易于集成,研究者将其集成到鞋垫底部作为步态检测器,不会带来任何不适感,能实现从站立、行走、慢跑和快跑等一系列动作的检测和识别,还能检测人体运动的速度。同时,将压力传感器贴合在人体胸部,还可以对人体不同运动状态下的呼吸状况进行检测。研究者发现,将压力传感器贴在人体的挠动脉和颈动脉处,采集到人体脉搏的波形具有较高的保真度,通过提取波形信息可以获取挠动脉的增强指数,并研究了增强指数与运动状态的变化关系。鉴于压力传感器对脉搏波形的提取具有较高的保真度,研究者还对28岁,43岁和56岁的年轻男性进行脉搏提取,通过对波形进行二次导数变换,提取了二次导数波形中用于衡量动脉硬化程度的多项指数,详细研究了人体动脉血管随年龄的老化程度变化。这种高性能的可穿戴压力传感器有望贴附于人体皮肤或与医用装置进行集成联用,以用于对人体各项生命体征的检测以及对动脉血管相关的疾病分析和诊断。

相关工作发表在Advanced Electronic Materials(DOI: 10.1002/aelm.201800252)上,题目为Bioinspired Microstructured Pressure Sensor Based on a Janus Graphene Film for Monitoring Vital Signs and Cardiovascular Assessment,第一作者为中国科学院长春应用化学研究所的博士研究所宋忠乾。