作者｜李惠钰
仅需在皮肤表面贴附一片薄薄的“纹身”，便可以实现心律、心电、血压、呼吸、睡眠等人体信号的采集与监测，甚至还有望辅助聋哑人及喉部切除患者重构发声能力。
这种神奇的“纹身”就是清华大学微纳电子系任天令教授团队的研发成果——石墨烯电子皮肤。
不同于传统可穿戴设备，电子皮肤能够真正与人体形成紧密界面，合二为一，在佩戴方式与信号质量等方面都具有明显优势，被认为是下一代生理信号监测系统的形态。
任天令课题组基于激光还原石墨烯，将石墨烯与纹身结合，模仿电子皮肤的功能。“石墨烯电子皮肤灵敏度极高，在运动监测、睡眠监测、生物医疗等方面都具有广阔的应用前景。”
石墨烯优势倍显
石墨烯被称为“黑金”，是世界上最薄、最坚硬的材料，也被誉为材料之王。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，可承受一只猫的重量，而其本身重量不足1毫克，只相当于猫的一根胡须。
任天令课题组成员、清华大学微纳电子系乔彦聪博士对《中国科学报》介绍说，石墨烯单层厚度仅为0.34纳米，大约为头发丝厚度的20万分之一，这也决定了它天然具有很好的柔韧性。
乔彦聪表示，石墨烯具有优异的导电性能，能够作为生理电极监测心电图、脑电图等信号；通过结构设计还可以将石墨烯制备成多孔结构，将微弱的机械振动转化为其电阻的变化，从而用于监测脉搏、呼吸、关节运动等力学信号。
不仅如此，石墨烯还具有很高的热导率，目前已经应用于手机散热。
同时，它还能够高效地将电信号转化为热信号，不仅能应用于柔性热源，还可通过将热信号转化为空气振动作为柔性声源。
“这些性能都决定了石墨烯可以作为多功能电子皮肤的材料。”乔彦聪表示，由于石墨烯为单原子层，其两侧都为表层原子，因此具有极大的比表面积，可以通过在其表面修饰抗体等测量血液汗液中的一些成分。
任天令课题组就将激光直写石墨烯与超薄柔性衬底相结合，制备出类纹身石墨烯电子皮肤，整个器件像纹身一样与皮肤形成紧密贴合，佩戴舒适，不影响正常生活。
任天令表示，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通过封装、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。
基于激光直写方法制备多层石墨烯则可克服上述局限，不仅适用于大形变条件，还能根据个人喜好自行设计图案，同时具有制备效率高、成本低等优势。
目前，激光直写制备石墨烯已经形成了一个完整的系统，它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。
实用仍在推进
目前，任天令课题组正在开展电子皮肤用于心电图、血压、步态、语音等信号的研究。例如，使用石墨烯作为生理电极与柔性印刷电路板结合用于实时监测心电图。
据乔彦聪介绍，该系统与人工智能算法相结合可以实现心电图的实时监测与诊断，对于心律不齐的诊断正确率能够达到92.65%。
此外，使用石墨烯制作的压力传感器还可以植入衣物、护腕、鞋垫等，记录并监测脉搏、血压、步态等信号。
值得