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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。
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作者简介：
乔彦聪，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。
Part01
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。
Part02
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]。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-），用户只需触摸显示屏就可以激活功能。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，年诺贝尔化学奖授予AlanJ.Heeger，AlanG.MacDiarmid，HidekiShirakawa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