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  12月10日清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)在納米領(lǐng)域重要期刊《Small》上發(fā)表了題為《Intelligent and Multifunctional Graphene Nanomesh Electronic Skin with High Comfort》的研究論文，基于石墨烯納米織物該工作實(shí)現(xiàn)了高保形性與透氣性的多功能智能電子皮膚。器件可以用作應(yīng)力傳感器用于監(jiān)測(cè)呼吸、脈搏、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等力學(xué)生理信號(hào)；使用激光刻蝕后可以實(shí)現(xiàn)低阻抗生理電極用于監(jiān)測(cè)心電與腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)。通過與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，基于石墨烯電子皮膚可以通過監(jiān)測(cè)腦電信號(hào)用于判斷測(cè)試者的注意力情況。

圖1 具有優(yōu)異透氣性與保形性的石墨烯納米織物

  隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口結(jié)構(gòu)的改變，人們對(duì)于生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的需求日漸加深。各大廠商紛紛推出各種可穿戴電子設(shè)備。但是由于硬制封裝以及傳感器的問題，傳感器無法與人體形成良好的界面，從而影響信號(hào)質(zhì)量與佩戴體驗(yàn)。電子皮膚由于其超薄的厚度與優(yōu)異的柔性被認(rèn)為下一代可穿戴設(shè)備的理想形態(tài)。但是現(xiàn)有的電子皮膚主要基于致密的聚合物襯底，難以與人體形成緊密的界面，依然無法解決可穿戴電子設(shè)備的問題。為了解決電子皮膚的舒適度以及界面問題，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)與東京大學(xué)Takao Someya教授團(tuán)隊(duì)使用激光直寫石墨烯對(duì)靜電紡絲納米織物進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)了石墨烯納米織物，該器件擁有優(yōu)異的柔韌性和可伸縮性，高靈敏度，良好的皮膚保型性、水汽透過性和舒適度。貼附于皮膚之上后，納米織物能夠保持皮膚紋路形貌。使用納米織物覆蓋的玻璃瓶的水分揮發(fā)情況與基本敞口一致。

圖2 石墨烯納米織物用于監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信號(hào)

  石墨烯納米織物具有良好的可拉伸特性，因此可以用作應(yīng)力傳感器。在60%的形變條件下仍然能夠正常工作，此外該應(yīng)力傳感器具有良好的應(yīng)力-電阻線性響應(yīng)。經(jīng)過1000次拉伸循環(huán)測(cè)試，器件保持良好的穩(wěn)定性。為了解釋傳感器工作機(jī)制，任天令團(tuán)隊(duì)提出并聯(lián)電阻網(wǎng)絡(luò)模型并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，該模型對(duì)指導(dǎo)織物型應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)具有重要意義。通過將納米織物轉(zhuǎn)移到皮膚各處可以監(jiān)測(cè)呼吸，心跳，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等生理信號(hào)的測(cè)量。測(cè)試者佩戴的同時(shí)并不會(huì)影響正常生活。

圖3 激光直寫刻蝕工藝用于制備石墨烯納米織物電極

  由于納米織物只在石墨烯修飾側(cè)具有導(dǎo)電性，任天令團(tuán)隊(duì)通過激光刻蝕的方法去除背面納米織物的方法實(shí)現(xiàn)雙面導(dǎo)電石墨烯納米織物結(jié)構(gòu)用作生理電極，該電極在低頻區(qū)域阻抗優(yōu)于商用凝膠電極。因此，基于石墨烯納米織物電極可以用于監(jiān)測(cè)心電信號(hào)，同時(shí)基于石墨烯織物電極的腦電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以用于分析測(cè)試者視覺激發(fā)電位，當(dāng)測(cè)試者觀察不同頻率閃爍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的視覺激發(fā)腦電信號(hào)。

圖4 基于石墨烯納米織物電極的腦電檢測(cè)系統(tǒng)用于分析視覺激發(fā)電位

  為了實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的智能分析，任天令團(tuán)隊(duì)提出時(shí)域頻域拼接卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一維殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ResNet18，實(shí)現(xiàn)了基于單通道石墨烯納米織物電極的腦電系統(tǒng)用于測(cè)試者注意力的自動(dòng)分級(jí)。該工作未來在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、手勢(shì)翻譯、腦機(jī)接口等方面具有重大應(yīng)用前景。

圖5. 域頻域拼接卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一維殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ResNet18結(jié)構(gòu)與混淆矩陣結(jié)果

  近年來，任天令教授致力于石墨烯器件的基礎(chǔ)研究和實(shí)用化應(yīng)用的探索，尤其關(guān)注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類傳感器件方面已獲得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，如柔性石墨烯發(fā)聲器件、新型石墨烯阻變存儲(chǔ)器、光譜可調(diào)的石墨烯發(fā)光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調(diào)石墨烯應(yīng)力傳感器、仿生石墨烯壓力傳感器等相關(guān)成果曾多次發(fā)表于《自然·電子》（Nature Electronic)、《自然·通訊》（Nature Communications)、《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)、《納米快報(bào)》(Nano Letters)、《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》(ACS Nano)、國(guó)際電子器件大會(huì)(IEDM)等。

  清華大學(xué)集成電路學(xué)院是論文第一單位，清華大學(xué)集成電路學(xué)院博士，中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院助理教授喬彥聰是文章的第一作者與共同通訊作者，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授與東京大學(xué)Takao Someya教授是論文的通訊作者，該研究成果得到了國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目，科技部項(xiàng)目以及清華大學(xué)-東京大學(xué)自主科研國(guó)際合作專項(xiàng)的支持，喬彥聰特別感謝清華大學(xué)輔導(dǎo)員海外研修計(jì)劃的支持。

  論文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202104810

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