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从石墨烯到柔性传感器——智能穿戴领域的应用

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一、柔性可穿戴传感器

柔性可穿戴传感器主要致力于感应和监测各种人体活动,在运动感应、个人健康监测、智能机器人和人机交互方面都有着广泛的应用。传统的应变传感器,如基于金属箔以及半导体的传感器,由于不具有很好的柔性以及可探测范围很小(<5%),所以无法应用于柔性可穿戴传感器。一些纳米材料由于具有很好的机械柔性以及导电性,开始被应用于各式柔性的应变传感器,如碳纳米管、石墨烯和金属纳米线。尽管取得了一些进展,但现今仍然存在两个主要的问题:一是难以同时获得高的灵敏性和大的感应范围;另一个是当前的柔性传感器大多功能单一,例如只能感应拉伸应变,无法同时感应弯曲、扭转等其他变形,因此不适用于对复杂而精细的人体活动的感应。 

图1 碳材料在柔性传感器中的应用

  近期,中国科学院上海硅酸盐研究所孙静研究员带领的科研团队成功地制备了基于石墨烯材料的高灵敏度柔性纤维传感器,在柔性可穿戴感应领域尤其是可穿戴式人体生理活动监测方面具有广阔的应用前景。该工作发表于期刊Advanced Materials,已申请中国发明专利一项。 

  该团队设计了一种类似于压缩弹簧的特殊纤维结构,并利用石墨烯作为敏感导电材料,制备了一种可以感应拉伸、弯曲以及扭转变形的柔性纤维传感器(图2)。 

图2 石墨烯纤维传感器结构图

  这种纤维传感器的拉伸应变检测范围高达100%,感应灵敏度可达0.2%。同时还具有极其优异的对弯曲形变以及扭转形变的有效感应(图3)。对弯曲角度的检测范围高达90度,感应灵敏度达到2度。对于顺时针及逆时针方向的扭转变形,该纤维传感器也可以进行区分以及扭转程度的感应。 

 

图3 石墨烯纤维传感器的感应性能

  在进一步的可穿戴应用中,该团队利用这种柔性传感器的优异性能实现了对多种人体生理活动的实时监测,如人体奔跑、步行、跳跃等剧烈运动状态,以及心跳、脉搏等生理活动的实时感应和反馈。值得一提的是,这种石墨烯纤维传感器的制备方法简单易行,成本低廉,且易于量产,有着极大的市场前景。 

  此项工作一经发表便引起国际关注,Materials Views在近期的科技新闻中做了专题报道。该项工作得到了国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金委、上海市自然科学基金委和中国科学院上海硅酸盐研究所创新项目的资助。 

二、可穿戴传感器的应用

可穿戴传感器除了具有压力传感功能,还具有现实和潜在应用的多种功能,体温和脉搏检测、表情识别和运动监测等。

图4 柔性传感器用于人体生理信号和环境刺激的检测

1、温度检测

人体皮肤对温度的感知帮助人们维持体内外的热量平衡。电子皮肤的概念最早由Rogers等提出,由多功能二极管、无线功率线圈和射频发生器等部件组成。这样的表皮电子对温度和热导率的变化非常敏感,可以评价人体生理特征的变化,比如皮肤含水量,组织热导率,血流量状态和伤口修复过程。为了提高空间分辨率、信噪比和响应速度,有源矩阵设计成为了最优选择之一。Ha等制备了包含单壁碳纳米管薄膜晶体管的,可拉伸的聚苯胺纳米纤维温度传感器有源矩阵。其展示了1.0%•℃-1的高电阻灵敏性,在15到45℃范围内得到了1.8s的响应时间,在双向拉伸 30%下依然保持稳定。

2、脉搏检测

可穿戴个人健康监护系统被广泛认为是下一代健康监护技术的核心解决方案。监护设备不断地感知、获取、分析和存储大量人体日常活动中的生理数据,为人体的健康状况提供必要的、准确的和长期的评估和反馈。在脉搏监测领域,可穿戴传感器具有以下应用优势:(1)在不影响人体运动状态的前提下长时间的采集人体日常心电数据,实时的传输至监护终端进行分析处理;(2)数据通过无线电波进行传输,免除了复杂的连线。可以粘附在皮肤表面的电学矩阵在非植入健康监测方面具有明显优势,而且超轻超薄,利于携带。最近,鲍哲楠等发展了一种基于微毛结构的柔性压力传感器(见图5)。这种传感器对信号的放大作用很强。 通过传感器与不规则表皮的有效接触最大化,观察到了大约12倍的信噪比增强。另外,这种 PDMS 的微毛结构表面层提供了生物兼容性的非植入皮肤共形附着。最后,这种便携式的传感器可以无线传输信号, 即使微弱的深层颈内静脉搏动也可以获取到。

图5 柔性电子传感器在脉搏监测上的应用

3、运动监测

在能与人体交互的诊疗电学设备中,监控人体运动的应力传感器备受瞩目。监测人体运动的策略可以分为两种:一种是监测大范围运动,另一种是监测像呼吸,吞咽和说话过程中胸和颈的细微运动。适用于这两种策略的传感器必须具备好的拉伸性和高灵敏度。而传统的基于金属和半导体的应力传感器不能胜任。所以,具备好的拉伸性和高灵敏度的柔性可穿戴电子传感器在运动监测领域至关重要。Kim等通过干纺的方法制备了高度取向性的碳纳米管纤维弹性应力传感器。 因为其在柔性基底上制备,结果得到了超过900%的拉紧程度,高灵敏度,快速响应和好的持久性。高弹性的应变仪在不同体系中具有巨大应用潜力,如人体运动和可穿戴传感器。Hata 等制备了定向排列的单壁碳纳米管薄膜。当拉伸时,碳纳米管破裂成岛-桥-间隙结构,形变可以达到280%(是传统金属拉力计的50倍)。将这种传感器组装在长袜、绷带和手套上,可以监测不同类型的动作,比如移动、打字、呼吸和讲话等。

在实际应用方面,对于石墨烯柔性智能可穿戴电子传感器,我们还需要实现新型传感原理、多功能集成、复杂环境分析等科学问题上的重大进展,以及制备工艺、材料合成与器件整合等技术上的突破。首先,亟需新材料和新信号转换机制来拓展压力扫描的范围,不断满足不同场合的需要;其次,发展低能耗和自驱动的可穿戴传感器,电池微型化技术也亟待升级,信息交互的过程是高耗能的,要延长设备一次充电的工作时间;再次,提高石墨烯柔性智能可穿戴传感器的性能,包括灵敏度、响应时间、检测范围、集成度和多分析等,提高便携性,降低石墨烯柔性智能可穿戴传感器的制造成本; 接下来,发展无线传输技术,与移动终端结合,建立统一的云服务,实现数据实时传输、分析与反馈。另外,应拓宽石墨烯柔性智能可穿戴传感器的功能,特别是在医疗领域,健康监测、药物释放、假体技术等。

随着科学技术的发展,特别是纳米材料和纳米技术的研究不断深入,石墨烯柔性智能可穿戴传感器也展现出更为广阔的应用前景。

 



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