多功能石墨烯电子皮肤、可视化传感与脉搏波精准监测

为了适应复杂多变的生存环境，很多生物（如变色龙、章鱼）通过改变表皮颜色达到伪装、保温及情感交流的目的。变色功能不仅提高了动物的生存能力，更提高了其繁衍能力。受自然界的启发，可产生丰富色彩的多功能电子皮肤应运而生，同时具备触觉和变色双重功能，通过颜色改变感知外界环境刺激，有望模拟、还原甚至取代人体皮肤。然而，传统压致变色材料受限于复杂的合成工艺和反应条件，变色阈值开启应变较大，难以监测微变形。因此，如何通过人造皮肤色彩的改变识别微小变形仍然是目前面临的挑战之一。

近日，清华大学、北京大学的研究人员合作开发了一种基于石墨烯的多功能电子皮肤，极大地降低了变色阈值的开启应变，在应变10%以内，通过快速变化的器件颜色准确地探测微小的变形刺激。将高灵敏的应变传感单元与可拉伸的有机电致变色单元一体化集成，应变传感单元感受外界力学刺激输出电学信号，进而调控变色单元的色彩输出。

由化学气相沉积法合成的编织结构石墨烯既作为应变传感单元的变形敏感材料，又作为电致变色单元的可拉电极。前者要求石墨烯变形作用下结构迅速改变，后者要求石墨烯在变形作用下结构稳定，如何解决这一矛盾是关键所在。该研究详细探讨了高分子衬底的作用，发现调节衬底刚度极大地影响了石墨烯与衬底间的相互作用及石墨烯的形貌，进而调控石墨烯的应变传感行为，使其从不灵敏的可拉伸电极材料转变为高灵敏的应变敏感材料。通过引入模量梯度的弹性衬底，该材料实现了传感、变色功能的一体化集成。结果表明，衬底和界面对器件性能的影响十分显著，分析一款功能材料的传感性能时应充分考虑衬底的作用，而不能将器件的性能仅归因于功能材料本身。

基于石墨烯的多功能电子皮肤在微应力传感、信息存储、商标防伪和发光器件等领域具有潜在的应用。同时，上述衬底调控功能材料应变传感行为的思路，也为相关柔性电子材料的设计带来有益的启发。例如，该研究团队近日开发了一款脉搏传感器，以石墨烯为敏感材料，可与人体皮肤紧密贴合，通过调节衬底的刚度获得了适中的器件灵敏系数和线性度，从而高保真地采集人体的挠动脉脉搏信息，并利用USB或近程无线蓝牙（Bluetooth）通讯技术将传感器采集到的生理信号传输出到智能终端（如手机、电脑），实现了脉搏波形的深入分析与诊断，有望为心血管等疾病的诊断提供参考。

相关成果发表在2D Materials 和ACS Sensors 上，第一作者为杨婷婷博士（清华大学2017届博士毕业生），通讯作者为清华大学的朱宏伟教授和北京大学的李志宏教授。合作者包括香港中文大学的李昕明博士和清华大学深圳研究生院的臧晓蓓博士。该项目受到国家自然科学基金的资助。

1. 该论文作者为：Tingting Yang, Yujia Zhong, Dashuai Tao, Xinming Li, Xiaobei Zang, Shuyuan Lin, Xin Jiang, Zhihong Li and Hongwei Zhu

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Integration of graphene sensor with electrochromic device on modulus-gradient polymer for instantaneous strain visualization.

2D Mater., 2017, 4, 035020, DOI: 10.1088/2053-1583/aa78cc

2. 该论文作者为：Tingting Yang, Xin Jiang, Yujia Zhong, Xuanliang Zhao, Shuyuan Lin, Jing Li, Xinming Li, Jianlong Xu, Zhihong Li and Hongwei Zhu

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A wearable and highly sensitive graphene strain sensor for precise home-based pulse wave monitoring

ACS Sensors, 2017, DOI: 10.1021/acssensors.7b00230

导师介绍

朱宏伟

http://www.x-mol.com/university/faculty/17890

李志宏

http://www.x-mol.com/university/faculty/44736