Advanced Functional Materials:一石二鸟——监控预警一体化石墨烯电子皮肤

近年来,全球健康问题日益严重,心血管疾病的死亡率在全球所有疾病中排名第一,此外每天有3000人死于睡眠呼吸暂停综合征。造成上述疾病高死亡率的原因之一,是在突发病情后缺乏了有效的早期预警措施,导致病人错过了最佳治疗时机。因此,具有报警功能的可穿戴设备成为海内外学者研究的热点。

这些设备的健康监测和报警功能需要通过蓝牙、射频(RF)等无线传输模块连接到手机应用,脱离开手机会导致报警不及时。同时,这些可穿戴设备的系统大多由不同的检测和报警部件组成,包括传感器、振动马达和蜂鸣器等。系统的可靠性是传感器可靠性和报警部件可靠性的乘积,传感器或报警元件中的任何故障都会导致整个系统的失效,致使系统可靠性降低。此外,很大部分商用监测器件主要基于光学技术,这导致设备缺乏了足够的柔韧性和舒适性。

纳米材料(石墨烯、碳纳米管、纳米线等)的出现大大推动了可穿戴健康设备的发展,并广泛应用于呼吸、脉搏、心率等多种健康信号的监测识别。但大多数可穿戴设备主要根据电阻或电容等电学信号变化来实现机械应力的检测,而缺乏了自主发声报警功能,因此开发一种集成检测和报警于一体的电子皮肤器件,是一项具有启发性和挑战性的研究工作。

近日,重庆大学光电工程学院陈显平教授和电气工程学院陶璐琪研究员课题组通过激光直写法制备多孔石墨烯材料,同时研究多孔石墨烯的热致发声效应和压阻特性,并探索了不同石墨烯图案(正方形、锯齿形和窗户形)电子皮肤器件的机械性能和声学性能。该器件一方面最高灵敏度(GF)高达316.3,对微弱生理信号检测具有极高灵敏,另一方面能够在200 Hz到20 kHz的人类听觉频率范围下发声报警。得益于其良好的力敏探测和发声报警能力,石墨烯电子皮肤器件可以广泛应用于心血管疾病、睡眠呼吸暂停等疾病的健康监测和预警。此外,该方法将检测和报警功能集成在一个器件中,大大提高了系统的可靠性,为传感器的多功能集成开辟了一条新的途径。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201904706)上。