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可穿戴设备中的石墨烯电子皮肤

1什么是电子皮肤

电子皮肤，是人工合成的穿戴式电子系统，它跟真实皮肤一样柔软轻薄，可以方便舒适地贴覆到皮肤的不规则表面，帮助采集人体的各种生理信号或是感知不同的环境刺激，实现人工触觉的最基本功能。

电子皮肤模拟、还原甚至取代机体皮肤，首先要具备辨别细微的压强及其分布这一最基本功能。而传统传感技术往往基于刚性的基底，难以随意的拉伸、弯曲和旋转，更不可能共形地贴覆于皮肤，极大地限制了探测精度和准确度。

石墨烯电子皮肤

2纳米材料技术

电子皮肤模拟、还原甚至取代机体皮肤，首先要具备辨别细微的压强及其分布这一最基本功能。而传统传感技术往往基于刚性的基底，难以随意的拉伸、弯曲和旋转，更不可能共形地贴覆于皮肤，极大地限制了探测精度和准确度。

纳米材料，因其独特的结构与崭新的功能，成为电子皮肤领域的研究热点与重点。当尺寸缩小到纳米尺度时，材料变得更为柔软，同时材料具有更大的比表面积和更高的活性，界面现象较为突出，与传统块体材料相比有其独特的行为模式和优异性质。如何结合纳米技术和电子皮肤的快速发展，一直是科学家所关心的问题。

石墨烯，作为二维明星碳纳米材料，具有优越的力学、电学、光学等性质。更重要的是，石墨烯制备方法丰富，具有广阔的结构性能调控空间，将石墨烯基元组装成宏观体，设计合理的微观形貌和宏观拓补结构，研究其结构与性能之间的关联，对于发展和推动基于纳米材料的新型柔性传感器件的应用，具有重大的科研价值和迫切的现实意义。

3石墨烯电子皮肤

针对上述问题，研究人员近期提供了一种将石墨烯组装成高灵敏柔性应变传感器的新思路，并探索了其在电子皮肤领域的应用。具体来讲，以编织结构铜网为基底，以甲烷为碳源，用化学气相沉积法一步合成石墨烯，待铜网刻蚀后转移到柔性薄膜基底上。由于该石墨烯继承了铜网的结构特点，呈编织网状构型。对其进行拉伸测试，应变灵敏系数在小于2%应变下高达500，并可承受10%的应变。如此优越的力电特性，主要来源于结构的巧妙。编织结构网状石墨烯具有三个典型结构特点：网状、编织、编织点附近局部缺陷。首先，研究人员作了一组对照实验，用等离子体刻蚀出同样规格的平面网状石墨烯结构，发现灵敏系数低了1~2个量级，由此排除了网状是引起高灵敏的内在原因。其次，测试编织点处的搭接电阻，发现编织处条带之间的搭接较弱，接触电阻在百KΩ到MΩ量级，而条带本身电阻在KΩ量级。进一步用蒙特卡罗法构建相应的电阻等效网络，验证了编织点处条带弱搭接确实会导致高灵敏。最后，扫描电镜观察到在拉伸过程中，编织点附近会优先出现定向裂纹，源于编织点附近结构的突变导致了局部应力集中，局部可控定向裂纹的出现预估是高灵敏的另一个成因。

电子皮肤机理

将编织结构石墨烯与超弹的聚合物PDMS复合，形成的柔性应变传感器，十分轻便，就像一层薄薄的纹身，无需额外的粘合剂就能黏附到皮肤表面，而身体几乎感觉不到它的存在。构建了密布的压力传感器阵列，实现了电子皮肤感知分布式压力的功能，可辨别极其细微的压强，对微弱生理信号如脉搏、发声等均有稳定可靠的信号输出。

编织结构石墨烯因其超轻薄、柔性好、应变灵敏系数高，将在移动医疗、可穿戴式设备、机器人设计、智能假肢等领域大有可为。文章相关结果发表在ACS Nano上。

文章链接

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b03851