石墨烯電子皮膚比人“感覺”更靈敏

手術(shù)室里，穿著電子皮膚的機器人正在做手術(shù)，它將另一塊電子皮膚植入病人體內(nèi)。操作者是室外的醫(yī)生，他可以感知到病人的細(xì)微反應(yīng)，并實時監(jiān)控患者術(shù)后的愈合情況……

這種科幻電影中的場景也許不久之后就會成為現(xiàn)實。近日，中科院半導(dǎo)體所超晶格國家重點實驗室研究員沈國震課題組與中國人民解放軍總醫(yī)院教授姜凱合作，研制出一種基于石墨烯材料的新型柔性觸覺傳感器，實現(xiàn)了類似人體皮膚功能，可快速感知微小壓力變化等，可應(yīng)用于軍事、醫(yī)療健康等領(lǐng)域。

電子皮膚比人“感覺”更靈敏。

比人“感覺”更靈敏

電子皮膚即新型可穿戴柔性仿生觸覺傳感器，是一種用于實現(xiàn)仿人類觸覺感知功能的人造柔性電子器件。

“它像人體皮膚一樣具有柔韌性，可以任意彎曲與變形，能夠?qū)崿F(xiàn)仿人類觸覺感知的功能。”沈國震在接受《中國科學(xué)報》記者采訪時表示，“對輕如羽毛、小似米粒的物體停留在其表面所造成的觸覺，也能夠清晰地感知出來，而且感應(yīng)速度極快。”

人類皮膚的感觸響應(yīng)時間為30~50 毫秒，該器件響應(yīng)時間僅需5毫秒，而且靈敏度高達15.6kPa-1,并能夠循環(huán)工作10萬次以上。從這些數(shù)據(jù)上看，電子皮膚的“感覺”一點都不比人類的差。

“其實，相對于聽覺、視覺而言，觸覺感官的模仿十分困難。”沈國震坦言，因為模擬觸摸感覺需要發(fā)展高空間分辨率、高靈敏度、快速響應(yīng)和大尺寸的壓力傳感器陣列，為了模仿自然皮膚的觸覺感知特性，必須發(fā)展大面積柔性高像素力傳感器陣列。

明星材料登場

“石墨烯材料與可穿戴儀器最近兩年很火，火到我們不由自主地想要把兩者結(jié)合起來，結(jié)果顯而易見，效果非常好。”沈國震特別強調(diào)了石墨烯的優(yōu)點。

傳統(tǒng)石墨烯由于其良好的導(dǎo)電性，將其應(yīng)用在壓阻型柔性壓力傳感器中時，器件對壓力的電學(xué)性能變化并不明顯。

“為了解決這一問題，我們將石墨烯與聚偏氟乙烯納米纖維進行復(fù)合形成三維網(wǎng)絡(luò)，使得器件電學(xué)性能可調(diào)性增強，更適于應(yīng)用在仿生電子皮膚領(lǐng)域。”沈國震介紹說。石墨烯與一維納米纖維構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，更有利于器件感受微小壓力的變化。

沈國震課題組雖然從事柔性電子學(xué)研究多年，但初入電子皮膚領(lǐng)域時，還是遇到了很多問題。

“比如在研究基于石墨烯材料電子皮膚與健康監(jiān)測方面的應(yīng)用時，需要測試傳感器件在幾萬次循環(huán)工作后的傳感性能是否有變化以及傳感器在不同頻率壓力下的響應(yīng)，但實驗室中又缺少相關(guān)的專業(yè)設(shè)備來測試。”沈國震說。

當(dāng)科研人員正在苦悶的時候，突然想到如果將砝碼與斬波器相連，利用斬波器的轉(zhuǎn)動就有可能為器件提供長期穩(wěn)定不同頻率的壓強。經(jīng)過一番努力，課題組終于完成了器件在10萬次以上循環(huán)的測試，獲得了能夠長期穩(wěn)定工作的器件。

普遍應(yīng)用尚需時日

人造仿生電子皮膚作為可穿戴設(shè)備的一種，其研究和開發(fā)受到了不同學(xué)科研究人員的重視。隨著研究的深入，石墨烯、碳納米管、導(dǎo)電聚合物等特殊材料因其超輕薄、韌性強、電阻率小等優(yōu)良特性，被認(rèn)定為電子皮膚的優(yōu)良基底。其發(fā)展趨勢主要集中在醫(yī)療、人工智能以及虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。

“目前這種仿生電子皮膚已經(jīng)被嘗試應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用來實現(xiàn)對脈搏跳動、語音識別等人體生理信號的實時快速檢測。”姜凱告訴記者。

例如，通過對人體說話時產(chǎn)生的微弱壓力變化以及通過對脈搏變化的分析，可以初步實現(xiàn)語音識別與人體不同生理狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測，有望在語音輔助輸出系統(tǒng)、人體健康評價和疾病前期診斷方面獲得廣泛應(yīng)用。

“對于許多燒傷燙傷患者、截肢患者以及整容者來說，人造皮膚擁有觸覺可以給他們帶來很大的益處。”姜凱介紹。

日本福島地震后，由于輻射嚴(yán)重已不適宜人類工作，本田公司為已有的機器人研制電子皮膚，使其能夠更好地感知周圍環(huán)境，工作于核輻射最嚴(yán)重的區(qū)域。此外，仿生電子皮膚在消費電子、軍事、醫(yī)療健康乃至更為科幻的機器人“仿人體皮膚”等領(lǐng)域，都將為人類科技帶來革命性的突破。

“不過，目前人造皮膚主要用于醫(yī)療方面，并且成本較高，應(yīng)用在其他領(lǐng)域尚需時日。”沈國震坦言。