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  12月10日清華大學集成電路學院任天令教授團隊在納米領域重要期刊《Small》上發表了題為《Intelligent and Multifunctional Graphene Nanomesh Electronic Skin with High Comfort》的研究論文，基于石墨烯納米織物該工作實現了高保形性與透氣性的多功能智能電子皮膚。器件可以用作應力傳感器用于監測呼吸、脈搏、關節運動等力學生理信號；使用激光刻蝕后可以實現低阻抗生理電極用于監測心電與腦電信號監測。通過與神經網絡算法相結合，基于石墨烯電子皮膚可以通過監測腦電信號用于判斷測試者的注意力情況。

圖1 具有優異透氣性與保形性的石墨烯納米織物

  隨著社會經濟的發展以及人口結構的改變，人們對于生理信號監測的需求日漸加深。各大廠商紛紛推出各種可穿戴電子設備。但是由于硬制封裝以及傳感器的問題，傳感器無法與人體形成良好的界面，從而影響信號質量與佩戴體驗。電子皮膚由于其超薄的厚度與優異的柔性被認為下一代可穿戴設備的理想形態。但是現有的電子皮膚主要基于致密的聚合物襯底，難以與人體形成緊密的界面，依然無法解決可穿戴電子設備的問題。為了解決電子皮膚的舒適度以及界面問題，清華大學集成電路學院任天令教授團隊與東京大學Takao Someya教授團隊使用激光直寫石墨烯對靜電紡絲納米織物進行修飾，實現了石墨烯納米織物，該器件擁有優異的柔韌性和可伸縮性，高靈敏度，良好的皮膚保型性、水汽透過性和舒適度。貼附于皮膚之上后，納米織物能夠保持皮膚紋路形貌。使用納米織物覆蓋的玻璃瓶的水分揮發情況與基本敞口一致。

圖2 石墨烯納米織物用于監測關節運動信號

  石墨烯納米織物具有良好的可拉伸特性，因此可以用作應力傳感器。在60%的形變條件下仍然能夠正常工作，此外該應力傳感器具有良好的應力-電阻線性響應。經過1000次拉伸循環測試，器件保持良好的穩定性。為了解釋傳感器工作機制，任天令團隊提出并聯電阻網絡模型并與實驗結果相符合，該模型對指導織物型應力傳感器設計具有重要意義。通過將納米織物轉移到皮膚各處可以監測呼吸，心跳，關節運動等生理信號的測量。測試者佩戴的同時并不會影響正常生活。

圖3 激光直寫刻蝕工藝用于制備石墨烯納米織物電極

  由于納米織物只在石墨烯修飾側具有導電性，任天令團隊通過激光刻蝕的方法去除背面納米織物的方法實現雙面導電石墨烯納米織物結構用作生理電極，該電極在低頻區域阻抗優于商用凝膠電極。因此，基于石墨烯納米織物電極可以用于監測心電信號，同時基于石墨烯織物電極的腦電監測系統可以用于分析測試者視覺激發電位，當測試者觀察不同頻率閃爍時，會產生不同的視覺激發腦電信號。

圖4 基于石墨烯納米織物電極的腦電檢測系統用于分析視覺激發電位

  為了實現腦電信號的智能分析，任天令團隊提出時域頻域拼接卷積神經網絡算法以及結構優化的一維殘差神經網絡ResNet18，實現了基于單通道石墨烯納米織物電極的腦電系統用于測試者注意力的自動分級。該工作未來在運動監測、手勢翻譯、腦機接口等方面具有重大應用前景。

圖5. 域頻域拼接卷積神經網絡算法以及結構優化的一維殘差神經網絡ResNet18結構與混淆矩陣結果

  近年來，任天令教授致力于石墨烯器件的基礎研究和實用化應用的探索，尤其關注研究突破傳統器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學器件和各類傳感器件方面已獲得了多項創新成果，如柔性石墨烯發聲器件、新型石墨烯阻變存儲器、光譜可調的石墨烯發光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調石墨烯應力傳感器、仿生石墨烯壓力傳感器等相關成果曾多次發表于《自然·電子》（Nature Electronic)、《自然·通訊》（Nature Communications)、《先進材料》(Advanced Materials)、《納米快報》(Nano Letters)、《美國化學學會納米》(ACS Nano)、國際電子器件大會(IEDM)等。

  清華大學集成電路學院是論文第一單位，清華大學集成電路學院博士，中山大學生物醫學工程學院助理教授喬彥聰是文章的第一作者與共同通訊作者，清華大學集成電路學院任天令教授與東京大學Takao Someya教授是論文的通訊作者，該研究成果得到了國家自然基金重點項目，科技部項目以及清華大學-東京大學自主科研國際合作專項的支持，喬彥聰特別感謝清華大學輔導員海外研修計劃的支持。

  論文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202104810

  下載：Intelligent and Multifunctional Graphene Nanomesh Electronic Skin with High Comfort