石墨烯电子皮肤，是否能让潜在的疾病预警成为现实？

导读

随着社会经济的发展，人民生活水平不断提高，人们希望对于自己的健康状况有更为深入的了解用于生活指导与疾病预防。同时，我国目前老龄化趋势日渐明显，对于老年人各项生理信息的实时监测对于解决医疗与养老问题具有重要意义。截止目前华为、苹果、小米等公司都推出了用于生理信息监测可穿戴式设备。但是，传统设备由于硬质封装无法与人体形成紧密界面，因此存在界面失配问题，所测得信号质量与准确性还需要进一步提升。电子皮肤作为全柔性生理信号监测系统，能够真正与人体“融为一体”，形成良好界面，在佩戴方式与信号质量等方面拥有明显优势，被认为是下一代生理信号监测系统的形态。本文将简要回顾电子皮肤的发展历史，随后介绍石墨烯在电子皮肤中的应用，最后对电子皮肤的未来发展方向进行展望。

作者简介：

乔彦聪，2020年清华大学研究生特等奖学金候选人，清华大学微纳电子系2016级博士生，导师任天令教授，研究方向为面向生理信号监测的智能石墨烯电子皮肤。

主要学术贡献

随着生活水平的提高和人口老龄化趋势日益明显，人们对生理信息监测可穿戴式设备的需求增加。然而，传统设备由于硬质封装无法与人体形成紧密界面，存在界面失配问题，造成信号质量与准确性不高。我们通过将激光直写石墨烯与超薄柔性衬底结合制备了电子皮肤，用于检测呼吸、脉搏、声音、心电图、脑电图等生理信号，通过优化电子皮肤与皮肤的界面提高信号质量与佩戴舒适度，同时将电子皮肤与人工智能算法相结合，最终实现了与人体皮肤相融合的智能石墨烯电子皮肤。

Part 01
什么是电子皮肤

皮肤是人体最大的器官，由细胞组成的皮肤可以视作一个柔性系统，除了隔绝病原体的屏障作用，皮肤之下遍布了大量的传感器用于感知温度、压力、湿度等外界信号，可以让人体针对外界环境变化采取相应措施去适应环境。人体本身作为一个系统，也无时不刻不在产生各种生理信号，这些信号可以反映出人体的“运行”状况，这也是化验体检的意义所在。那么是否可以实时进行体检呢？受皮肤启发，科研工作者希望能够实现皮肤的功能，通过柔性系统与人体兼容更好地监测人体本身生理信息，电子皮肤因此应运而生。电子皮肤可以简单定义为用于监测各种信号参量的柔性系统，可以将脉搏呼吸等机械类信号、汗液成分等电化学信号、体内的离子电流等生理电信号转化为便于系统传输与分析的电信号，这一领域内不少设备的开发理念在当下十分热门，如可穿戴仿生触觉传感器等等。此外，电子皮肤还可以用于实现机器人与外界的交互功能，为机器人赋予人类的感官能力。

Part 02
电子皮肤从哪里来

截止目前，电子皮肤已经具有40多年的历史[1]。1974年，Clippinger等人将传感器植入机械手，能够反馈机械手的受力情况[2]，可以认为是电子皮肤的雏形。大约10年后，惠普推出了一款配备触摸屏的个人电脑（HP-150），用户只需触摸显示屏就可以激活功能。1985年，通用电气公司制造了第一个用于机械臂的电子皮肤，红外传感器被放置在一个分辨率为大约5厘米的柔性薄板上。该电子皮肤能够近距离感知周围环境，使机器人的手臂能够避开潜在的障碍物，并在所处的物理环境中有效地机动。

但是上述的传感器依旧是基于硬质基底与封装，要想实现柔性系统还需要从材料方面进行突破。所以，柔性聚合物导体与半导体材料快速发展使得柔性材料真正发展成为一个完整的体系，进一步推动电子皮肤的发展，比如柔性红外线探测器、压力传感器阵列、场效应晶体管阵列等。值得一提的是，2000年诺贝尔化学奖授予Alan J. Heeger，Alan G. MacDiarmid，Hideki Shirakawa三位科学家以表彰他们柔性导电聚合物方面的发现。进入21世纪后，聚二甲基硅氧烷（PDMS）等弹性体的广泛应用使得柔性器件不仅可以弯折，而且具有可拉伸的功能。同时，转印工艺的发展使得传统硅基半导体体系可以移植到弹性体系，一系列力学结构的设计使得一些所谓“硬质”材料能够在系统处于大形变条件下正常工作，最终实现了柔性LED、柔性传感器、柔性能源器件等一系列令人眼花缭乱的功能。近年来，新型纳米材料如水凝胶、碳纳米管、金属纳米线等都在电子皮肤领域得到了广泛研究。在这其中，石墨烯因为其优异的力热声电等方面的优异特性，非常适用于电子皮肤领域，受到了科研工作者的广泛关注。

Part 03
什么是石墨烯

2004年，曼切斯特大学的Andre Geim和Kostya Novoselov两位科学家制备了原子层厚的碳原子，随后命名为石墨烯，并研究了它的电学特性，宣告了石墨烯时代的开始。2010年，诺贝尔物理学奖授予Andre Geim和Kostya Novoselov以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。石墨烯是由sp2杂化的单层碳原子构成的二维平面晶体，其单层厚度仅为0.34nm。石墨烯具有一系列优异的物理性质与材料特性，比如具有很高的载流子迁移率（200000 cm2/V•s）适用于用作生理电极、优异的透光性（97.7%）适用于用作透明导电屏幕、很高的热导率（5300 W/mK）适用于柔性散热与声源、极大的比表面积（2600 m2/g）适用于修饰后监测电化学信号等，因此非常适用于电子皮肤领域。

Part 04
为什么是石墨烯

由于在实际应用中，电子皮肤需要在大形变条件下工作，单层或少层石墨烯需要封装、结构设计等方法才能稳定工作，所以在使用方面存在局限性。使用基于激光直写方法制备多层石墨烯则可以克服上述局限，不仅适用于大形变条件，而且可定制化设计图案，同时具有制备效率高、成本低廉等优势。目前，激光直写石墨烯已经形成了一个完整的系统，可以高效率大面积制备多层多孔石墨烯，为电子皮肤器件的研发提供了材料基础[3]。

图1 激光直写石墨烯系统

目前的纹身仅作为一种装饰，需要将药水注入到皮下组织，是一个十分痛苦的过程。为了实现佩戴舒适化并且与皮肤形成良好界面，任天令教授课题组将激光直写石墨烯与超薄柔性衬底相结合，实现了类纹身石墨烯电子皮肤[4]，整个器件像纹身一样与皮肤形成紧密贴合，且避免了痛苦的药水注射过程。激光直写石墨烯图案可编程化，因此图案可以根据个人爱好自行设计，具有很高的商业化潜力；多层多孔石墨烯结构具有优异的压阻特性将压力信号转化为石墨烯的电阻变化，可以用于监测呼吸、脉搏、声音等力学生理信号。贴敷于皮肤上不影响正常生活。同时，任天令教授课题组从石墨烯微观形貌出发，提出了基于条带状石墨烯合并与分离的模型用于解释石墨烯的应力特性，通过设计不同的石墨烯图形，可以改变器件的量程、灵敏度等特性。

图2 石墨烯力学信号监测电子皮肤

传统喇叭等动圈式声源存在体积与质量较大的问题，而热声效应通过将电信号转化为热振动从而带动空气振动可以实现薄膜声源发声。热声声源需要发声材料具有优异的导电性与热导率，可以高效率的将电信号转化为热量并且释放到空气中。热声效应于19世纪被发现，但是由于没有合适的材料问题发展缓慢[5]。基于石墨烯优异的电导率与热导率，任天令团队与2011年在国际上首次实现了石墨烯声源[6]。2017年，任天令教授课题组首次实现了石墨烯智能人工喉[7]，并在柔性可贴附、声音收发系统集成、动作监测系统、轻型可穿戴等方面实现突破，改进开发了第二代石墨烯智能人工喉[8]。改良后的器件不仅能够探测声音震动而且可以实现发声。同时，将石墨烯人工喉与电子皮肤相结合，可以实现电子皮肤式人工喉系统。由于其类皮肤基底能够与皮肤形成良好的界面，具有高监测灵敏度和出色的发声能力。同时设计了声音监测和发射集成系统，使得石墨烯从器件级应用拓展到设备级应用，系统可以集成在臂包中实现随身佩戴功能。该系统兼具声音收集与发声的功能，佩戴轻便化，未来有望辅助聋哑人重构发声能力。

图3. 石墨烯人工喉

心电图是一种重要的生理信号，是医院中一种常见的检查手段，相较于商用的Ag/AgCl生理电极，电子皮肤式石墨烯生理电极具有更好的柔性、不会有过敏反应、可长时间使用、更好的界面阻抗匹配等优势。较低的皮肤与电极界面阻抗能够降低信号噪声，提高信号质量，任天令教授团队通过对石墨烯电子皮肤进行银纳米线掺杂进一步降低了石墨烯电子皮肤的阻抗，搭建了基于石墨烯电子皮肤的手机端实时心电监测系统[9]。
目前常见的电子皮肤都是在致密的柔性绝缘体衬底上进行制备，而衬底的存在在佩戴后一方面使得水汽以及皮肤排泄物无法排出，另一方面绝缘体衬底的存在会增大电子皮肤与皮肤之间的阻抗匹配。为了进一步提高石墨烯电子皮肤的透气性与降低阻抗，任天令教授课题组利用界面力将衬底去除实现无衬底石墨烯结构[10]，该结构通过模仿叶片气孔结构，实现了无衬底高透气性石墨烯。无衬底石墨烯电子皮肤可以用于监测心电、脉搏、呼吸等生理信号。同时将人工智能技术与石墨烯电子皮肤结合,基于深度神经网络实时分析判断心电信号,可实时监测与分析人体心电信息。对于心电信号的实时监测与自动诊断，在心脑血管的早期预防以及猝死及时预警方面具有重要意义。

图4 智能石墨烯生理电信号监测电子皮肤

Part 05
总结与展望

当前，消费类生理信号监测器件正在快速进入人们的日常生活。华为、苹果、小米等企业都有手表、手环等相关产品。相较于现有监测设备，电子皮肤可以与人体形成紧密的界面，因此在佩戴体验以及信号质量方面都可以得到进一步提升。在真正走入人们日常生活之前，电子皮肤还有很多方面需要优化。

能源：目前柔性能源器件功率问题是限制整个系统柔性化的重要因素之一。目前柔性能量收集与存储装置主要有纳米发电机、生物燃料电池、超级电容器等。如何驱动以蓝牙为代表的通讯模块长时间工作，是柔性能源研究发展的重要目标。

舒适度：电子皮肤可以与人体形成紧密的贴合，因此如何实现皮肤代谢物的排出是影响设备舒适度的重要问题。同时，电子皮肤的商业化必定需要其具备舒适的佩戴形态，因而基于织物衬底或者与衣物等相融合的电子皮肤具有很大的发展潜力。

柔性芯片：电子皮肤作为一个完整的体统，不仅具有传感模块，还集成有信号处理等电路模块，而现有的集成电路芯片大部分基于硬制基底与封装，制约着全柔性系统的实现。实现集成电路芯片或者封装的柔性化对于进一步提升电子皮肤的可穿戴性有着重要作用。

人工智能：大量数据训练对于人工智能算法的优化具有重要意义，而电子皮肤与人体相融合，可以随时随地测量生理信号，能够极大地丰富数据量与人工智能完美互补。因此相关数据库与算法的搭建对于电子皮肤的应用推广具有重要意义。

未来，依托电子皮肤式生理信号监测系统的优势，可以在日常生活中实现疾病早期筛查、突发疾病预警等功能，也可以指导慢性病患者日常的生活，提高他们的生活质量。同时相信随着技术的不断发展，医院大型检测设备将会出现小型化、无创化、电子皮肤化的发展趋势，可以有效减轻患者的痛苦、提升就诊体验。

参考文献

[1] Hammock, Mallory L., et al. “25th Anniversary Article: The Evolution of Electronic Skin (E-Skin): A Brief History, Design Considerations, and Recent Progress.” Advanced Materials 2013, 25(42): 5997-6038.

[2] Clippinger, F. W., et al. “A sensory feedback system for an upper-limb amputation prosthesis. ” Bulletin of Prosthetics Research. 1974: 247-258.

[3] Qiao, Yancong, et al. “Graphene devices based on laser scribing technology.” Japanese Journal of Applied Physics 57.4S (2018): 04FA01.

[4] Qiao, Yancong, et al. “Multilayer graphene epidermal electronic skin.” ACS nano 12.9 (2018): 8839-8846.

[5] Qiao, Yancong, et al. “Graphene-Based Thermoacoustic Sound Source.” ACS nano 14.4 (2020): 3779-3804.

[6] Tian, He, et al. “Graphene-on-paper sound source devices.” ACS nano 5.6 (2011): 4878-4885.

[7] Tao, Lu-Qi, et al. “An intelligent artificial throat with sound-sensing ability based on laser induced graphene.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8.

[8] Wei, Yuhong, et al. “A wearable skinlike ultra-sensitive artificial graphene throat.” ACS nano 13.8 (2019): 8639-8647.

[9] Qiao, Yancong, et al. “Multifunctional and high-performance electronic skin based on silver nanowires bridging graphene.” Carbon 156 (2020): 253-260.

[10] Qiao Y, Li X, Jian J, et al. Substrate-Free Multilayer Graphene Electronic Skin for Intelligent Diagnosis[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 12.44 (2020): 49945–49956.