中国石墨烯器件领军人物又一力作,清华任天令团队研发石墨烯基织物,体征异常可发声提醒

发布时间:2021-11-19   文章来源: DeepTech深科技   访问量:

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        你知道吗?石墨烯还能 “发声”!

       日前,石墨烯智能可穿戴器件研究领军人物、清华大学信息科学技术学院副院长任天令团队,研发出一款会发声的石墨烯基纺织品。



图 | 石墨烯基纺织品(来源:ACS NANO)


       穿戴上它之后,当心率、呼吸速率或运动频率出现异常时,即可触发衣物里的器件,随后会发出警告声,以对健康状况给出警报。



图 |(来源:ACS NANO)


       11 月 1 日,相关论文以《用于传感与驱动的石墨烯基多功能纺织品》(Graphene-Based Multifunctional Textile for Sensing and Actuating)为题发表在 ACS NANO 上。



图 | 相关论文(来源:ACS NANO)


       再次将眼光投向石墨烯

       传统纺织器件功能比较单一,传感器与执行器互相独立,只能从电脑或手机等设备获得反馈,比如使用运动手环时,要额外下载 App 才能查看睡眠时长等数据。之前的纺织扬声器也仅用于娱乐音乐,尚未用于医疗监控警报系统。



图 | 任天令(来源:资料图)


       在任天令的设想中,理想的柔性纺织器件,应同时具备多功能集成和可兼容能力,并能直接感知机械信号及生理电信号。
       多年来深耕该领域的任天令,再次将眼光投向石墨烯。在力学、电子和声学等方面,石墨烯均展现出优秀的性能,因此是制备健康探测器和声学执行器的理想材料。


(来源:ACS NANO)


       
基于热转印技术和激光直写技术,石墨烯纺织品可以监测人体运动和多种生理信号,还可以作为健康反馈执行器发出警报声音,还具有工业兼容、制造成本低、制备效率高等优点。

       详细制造工艺如下图所示:主要包含氧化石墨烯溶液的滴涂、激光直写、氧化物剥离、热转印等过程。



图 | 详细制造工艺(来源:ACS NANO)


       研究中,该团队先把氧化石墨烯混合物溶液滴涂在制备好的热转纸上,并在室温下置于通风柜中干燥一天。
       随后,通过激光直写,将热转印纸上的氧化石墨烯还原为石墨烯,这时那些未还原的氧化石墨烯很容易被物理剥离。

       在热转印过程中,将含有石墨烯的热转印纸,在 185℃ 下压在纺织品上 30 秒。把纸剥离后,带有热转印薄膜的激光还原石墨烯附着在织物上,便制备成了石墨烯基纺织品。激光直写不仅可以一步成形,还可以根据需要自定制设计各种图案。



图 | 多种图案的石墨烯基纺织品(来源:ACS NANO)


       石墨烯被转移到纺织品后,即形成了一个由纺织品、石墨烯和热转印薄膜组成石墨烯基纺织品器件,其厚度大约为500μm,外观呈三层夹心状。



图 | 工作中的石墨烯基纺织品(来源:ACS NANO)


       任天令团队发现,基于石墨烯的热声效应,该器件还可以作为声源使用。其原理是,在石墨烯器件两端施加交流电压信号时,石墨烯可生成周期性热量,传递到空气之后,可让空气产生周期性压缩和膨胀,从而发出声音。
       当器件与解码器和功率放大器组成的声音发射电路连接时,即可发出声音。一旦石墨烯织物检测到不健康信号时,即可产生连续报警声。即使被手触摸,也可稳定发出连续性声音。



来源:ACS NANO)


       最快响应时间仅需 85 毫秒
       为验证器件优异性能,该团队进行了相关测试。发现在拉伸时,器件开始形成微裂纹,但石墨烯之间仍存在良好连接,因此电阻仅略有变化。在裂纹开始延展的阶段,多层石墨烯块之间的连接会被打断,这时电阻就会显著增加。

       其中,裂纹延展过程中,测得其拉力的决定系数 R² 为 0.993。此外,在 1% - 3% 的不同应变条件下,分别做了测试,证明其仍具备优异的线性性能。


图 | 传感器线性度对比(来源:ACS NANO)


       要想保证信号检测的可靠性和稳定性,传感器的独立频率特性十分重要。在 1000 个拉伸周期下,器件顺利通过寿命测试,且电阻基本稳定在 85 ~ 88Ω 之间,可见其耐久性优秀。
       实际应用中,用户每天会面临各种场景,其中一些涉及到给纺织品施加压力,比如躺、坐和休息。因此,对于纺织传感器来说,要保证它在有压力负载下仍能正常工作。
       在加载压力过程中,石墨烯基纺织品的响应时间约为 85ms,在卸载压力过程中约为101ms。在 0.2Hz、0.4Hz、0.8Hz 和 1.6Hz 的不同按压频率下,均具有较好的稳定性。
       除了优异的线性度外,石墨烯基纺织品在记忆效应方面也表现出良好的性能。对于无记忆传感器,输出信号 y(t)由当前输入 x(t)决定,而实际传感器中存在记忆效应和非线性。在存在记忆效应的情况下,y(t)由当前输入和所有先前输入共同决定,导致相同输入的不同输出。
       有趣的是,由于记忆效应,细窄的输入-输出曲线变得更宽,这可以由曲线的厚度(W)估计。对比有记忆的器件的输入-输出曲线,石墨烯基纺织品的曲线要窄得多,这意味着之前的输入对当前输出的影响很小,验证了其在记忆效应方面的卓越可靠性。 

       为进一步研究激光功率与激光还原石墨烯厚度的关系,该团队分别在 3.7mW、4.9mW 和 5.8mW 的不同激光功率下制备出了 3 个厚度分别为 19.43μm、24.79μm 和 33.20μm 的样品。


(来源:ACS NANO)


       在不同输入功率和测量距离下,任天令团队也做了测试。结果表明,输出声压与输入功率成正比,与测量距离成反比。该团队此前研究表明,对激光直写石墨烯来说,快速的激光切割速度、低导热性衬底和大面积均不可缺。
       具体来说,当激光直写速度较快时,更易制备出较薄的石墨烯器件,并向空气中释放更多的焦耳热量,从而产生更高的声压。
       在声发射的测试中,他们还观察到较低的激光功率、较薄的激光切还原石墨烯厚度、较高的输入功率、较短测量距离,均有利于提高输出性能。

       下图显示了在不同输入功率下,石墨烯基纺织品产生声音时的温度。当输入功率从 0 增加到 0.167W,设备最高温度可从 27.4℃ 增加到 30.5℃,不会给人体皮肤带来任何不适。


图 | 在不同输入功率下,石墨烯基纺织品产生声音时的温度(来源:ACS NANO)


       哭泣、眨眼等信号也可被捕捉,洗涤后性能几乎未下降

       在检测运动和生理信号时,石墨烯基纺织品测试的图像如下。其中,脉搏的三个典型的脉冲波即 P 波、T 波和 D 波均清晰可见。

       当肘部、手腕、五指、膝盖和头部等运动时,传感器可反馈出相应的弯曲应变信号,甚至哭泣、眨眼等面部情绪带来的信号变化,也可被传感器及时捕获。


图 | 信号图像(来源:ACS NANO)


       为进一步验证石墨烯基纺织品在被洗涤后的稳定性,该团队将石墨烯基纺织品浸在去离子水中,并加入洗涤剂。洗涤过程如下图所示,可以看到它在水中没有褪色或分离。


图 | 洗涤中没有褪色或分离(来源:ACS NANO)


       相反,在洗涤之后,其应变性能反而有所提高,这是因为洗涤后的石墨烯和纺织品的纤维贴合更加紧密。
       在将石墨烯基纺织品用作拉伸应变传感器时,团队对其性能进行了测试表征。结果表明,石墨烯基织物在拉力和压力传感方面都具有极高的线性度;决定系数分别达到了 99.3% 和 98.2%。该器件在高达 1000kPa 的压力下仍能保持稳定的性能。

       在 4.2Pa 的微小压力下,石墨烯基织物的响应时间低至 85 毫秒。其作为压力传感器时展示出了线性度好、耐压高、响应速度快、拥有独立频率特性、耐用性良好等力学特性,极大地拓展了二维材料在压力传感器中的应用前景。


       真正做到为健康 “发声”

       佩戴石墨烯基纺织品用作心电信号检测时,在前胸放置两个传感器,并在两个传感器之间放置一个参考电传感器。从三个传感器采集到的信号被放大后可通过心电电路传输处理。最后,用户的实时心电图即可显示在电脑屏幕上。当用户心电异常时,石墨烯基纺织品可用作执行器,发出特定声音作为预警。
       在后续成果落地上,任天令说,“我们正在面向实用化场景需求进行智能衣物的产品化设计,同时也将探讨和国内外的衣物公司进行合作,进行健康监测智能衣物的未来市场布局。”
       谈及未来,任天令表示用智能衣物进行对人体健康实时监控,并能做出健康状况预警具有十分重要的意义。柔性电子技术是解决医疗行业痛点的利器,柔性产品的使用可以改变医疗服务的现状,随时随地对用户进行测量。
       基于智能健康监测衣物将获得精准的数据,并实现智能大数据辅助判断。其非接触的方式,可以有效帮助医护人员、社区工作人员远程掌握用户的身体状况。未来健康监测衣物将更加多功能化、智能化,可广泛用于家庭医疗、运动爱好者、老年看护等领域。

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