成果简介
通过激光在聚酰亚胺（PI）上划线合成的石墨烯具有出色的物理和化学特性，为光热应用、抗病毒和抗菌表面以及电化学存储和传感提供了绝佳的机会。然而，这种石墨烯在成像方面的应用还有待探索。本文，香港科技大学Mitch Guijun Li等研究人员在《Adv Sci》期刊发表名为“Seeing Through Muddy Water: Laser-Induced Graphene for Portable Tomography Imaging”的论文， 研究提出利用化学耐久性和导电性激光诱导石墨烯（LIG）在水悬浮液中进行断层成像。这些石墨烯电极被设计成阻抗成像单元，用于四端电测量。利用实时便携式成像原型，可以通过等效阻抗建模看到清水和浑水中的导电和介电物体。这种低成本的石墨烯层析成像测量系统与传统的可视相机相比具有显著优势，因为在传统相机中，悬浮的浑水颗粒会阻碍成像分辨率。这项研究显示了石墨烯纳米材料在水下机器人和自动渔业等新兴海洋技术中的应用潜力。
图文导读
图1、a） 使用光纤激光打标机制造LIG电极。b） 用 1064 nm 光纤激光器制造的 LIG 电极。c） 用水测试烧杯内的 LIG 电极以进行 EIT 应用。d） 使用LIG电极的原型EIT测试实验装置。
图2、a） 样品的简化等效阻抗建模。b） EIT实验的设置：EIT数据采集装置测量不同激发协议下不同电极之间的电位差分布。它通过低功耗蓝牙将这些测量结果发送到使用 EIT 逆求解器算法的计算机。
图3、a–c） EIT LIG电极样品的SEM图像;比例尺分别为 100、10 和 2 μm。d） EIT LIG电极的EIS测试结果。e） EIT LIG电极的拉曼表征。f，g） EIT LIG电极样品的TEM图像;比例尺分别为 1 和 100 nm。h，i） EDX映射结果，比例尺为10 μm。
图4、a） 便携式EIT数据采集装置框图。b） 多路复用器和仪表放大器之间的电气连接简化了EIT数据采集。c） EIT数据采集设备。d2、e2、f2、g2）EIT测试装置及其各自重建的电导率分布图d1、e1、f1、g1）。红色虚线圆圈表示项目和重建图像上的相应指示。h） 用于测试的整个EIT系统。j） EIT 设备的正面，包括 i） 仪表放大器，ii） Δ-Σ ADC 转换器，iii） 运算放大器，iv） 电阻多路复用器，v） Realtek WiFi 通信芯片，vi） BP1048P4蓝牙 SoC，vii） D 类放大器，viii） 开关模式电源。k） EIT 设备的背面，包括 ix） 矩阵开关、x） 蓝牙和 Wi-Fi 陶瓷天线。
图5、a） 使用 LIG 电极、浑水和具有一个低电导率物体的器件逆求解算法进行 EIT 测试设置。b，c） 三个不同位置的低电导率物体。d） 三个低电导率物体和一个高电导率物体。e） 一个高电导率物体和四个低电导率物体。f） 两个高电导率物体和四个低电导率物体。红色虚线圆圈表示项目和重建图像上的相应指示。
小结
尽管针对不同的应用优化了不同的算法、读出电路和电极材料，但大多数EIT设备都会遇到电极退化的问题，导致长期使用过程中信号质量下降。我们的工作有助于弥合理论、计算和电子研究之间的EIT研究差距。EIT便携式设备、重建算法和应用程序以稳定、经济高效和环保的方式连接起来，特别是对于水下机器人和自动化。我们的LIG材料通过商用光纤激光机制造，验证了其在浑浊水下作为EIT电极的可行性。尽管与金属相比，LIG电极具有更高的电阻，但由于在可接受的范围内对接触阻抗不敏感，因此不会影响四端EIT系统的性能。此外，我们创新制造的LIG电极具有卓越的成本效益、环保性、电气稳定性和机械性能。同时，我们专门设计的器件可有效适应广泛的接触阻抗水平，并提供高性能的 16 位分辨率、多通道同步、连续采样，在使用 LIG 电极时优化分辨率和帧速率。这样一套完整的EIT系统可以在手表大小的设备中使用，可以无缝集成到水下机器人或海洋自动化设备中。
文献：https://doi.org/10.1002/advs.202406905
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