Small:高舒适度智能电子皮肤方面的突破

清华大学集成电路学院任天令教授团队基于石墨烯纳米织物实现了高保形性与透气性的多功能智能电子皮肤。器件可以用作应力传感器用于监测呼吸、脉搏、关节运动等力学生理信号;使用激光刻蚀后可以实现低阻抗生理电极用于监测心电与脑电信号监测。通过与神经网络算法相结合,基于石墨烯电子皮肤可以通过监测脑电信号用于判断测试者的注意力情况。

图1 具有优异透气性与保形性的石墨烯纳米织物

随着社会经济的发展以及人口结构的改变,人们对于生理信号监测的需求日渐加深。各大厂商纷纷推出各种可穿戴电子设备。但是由于硬制封装以及传感器的问题,传感器无法与人体形成良好的界面,从而影响信号质量与佩戴体验。电子皮肤由于其超薄的厚度与优异的柔性被认为下一代可穿戴设备的理想形态。但是现有的电子皮肤主要基于致密的聚合物衬底,难以与人体形成紧密的界面,依然无法解决可穿戴电子设备的问题。为了解决电子皮肤的舒适度以及界面问题,清华大学集成电路学院任天令教授团队与东京大学Takao Someya教授团队使用激光直写石墨烯对静电纺丝纳米织物进行修饰,实现了石墨烯纳米织物,该器件拥有优异的柔韧性和可伸缩性,高灵敏度,良好的皮肤保型性、水汽透过性和舒适度。贴附于皮肤之上后,纳米织物能够保持皮肤纹路形貌。使用纳米织物覆盖的玻璃瓶的水分挥发情况与基本敞口一致。

图2 石墨烯纳米织物用于监测关节运动信号

石墨烯纳米织物具有良好的可拉伸特性,因此可以用作应力传感器。在60%的形变条件下仍然能够正常工作,此外该应力传感器具有良好的应力-电阻线性响应。经过1000次拉伸循环测试,器件保持良好的稳定性。为了解释传感器工作机制,任天令团队提出并联电阻网络模型并与实验结果相符合,该模型对指导织物型应力传感器设计具有重要意义。通过将纳米织物转移到皮肤各处可以监测呼吸,心跳,关节运动等生理信号的测量。测试者佩戴的同时并不会影响正常生活。

图3 激光直写刻蚀工艺用于制备石墨烯纳米织物电极

由于纳米织物只在石墨烯修饰侧具有导电性,任天令团队通过激光刻蚀的方法去除背面纳米织物的方法实现双面导电石墨烯纳米织物结构用作生理电极,该电极在低频区域阻抗优于商用凝胶电极。因此,基于石墨烯纳米织物电极可以用于监测心电信号,同时基于石墨烯织物电极的脑电监测系统可以用于分析测试者视觉激发电位,当测试者观察不同频率闪烁时,会产生不同的视觉激发脑电信号。

图4 基于石墨烯纳米织物电极的脑电检测系统用于分析视觉激发电位

为了实现脑电信号的智能分析,任天令团队提出时域频域拼接卷积神经网络算法以及结构优化的一维残差神经网络ResNet18,实现了基于单通道石墨烯纳米织物电极的脑电系统用于测试者注意力的自动分级。该工作未来在运动监测、手势翻译、脑机接口等方面具有重大应用前景。

图5. 域频域拼接卷积神经网络算法以及结构优化的一维残差神经网络ResNet18结构与混淆矩阵结果

近年来,任天令教授致力于石墨烯器件的基础研究和实用化应用的探索,尤其关注研究

突破传统器件限制的新型微纳电子器件,在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已获得

了多项创新成果,如柔性石墨烯发声器件、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光

器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器、仿生石墨烯压力传感器等相关成果曾多次发表于《自然·电子》(Nature Electronic)、《自然·通讯》(Nature Communications)、《先进材料》(Advanced Materials)、《纳米快报》(Nano Letters)、《美国化学学会纳米》(ACS Nano)、国际电子器件大会(IEDM)等。

清华大学集成电路学院是论文第一单位,清华大学集成电路学院博士,中山大学生物医学工程学院助理教授乔彦聪是文章的第一作者与共同通讯作者,清华大学集成电路学院任天令教授与东京大学Takao Someya教授是论文的通讯作者,该研究成果得到了国家自然基金重点项目,科技部项目以及清华大学-东京大学自主科研国际合作专项的支持,乔彦聪特别感谢清华大学辅导员海外研修计划的支持。

论文信息:

Intelligent and Multifunctional Graphene Nanomesh Electronic Skin with High Comfort

Yancong Qiao*, Xiaoshi Li, Jiabin Wang, Shourui Ji, Thomas Hirtz, He Tian, Jinming Jian, Tianrui Cui, Ying Dong, Xinwei Xu, Fei Wang, Hong Wang, Jianhua Zhou, Yi Yang, Takao Someya*, Tian-Ling Ren*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104810

论文链接: https://doi.org/10.1002/smll.202104810