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清华大学任天令教授团队在AFM 和 Nature子刊发表“可穿戴传感器”新成果
2023/3/2 11:36:30 易丝帮

清华大学任天令教授团队长期致力于基于二维材料的智能微纳电子器件、芯片与系统的研究,包括:智能传感器与智能集成系统,二维纳电子器件与芯片,柔性、可穿戴器件与系统,智能信息器件与系统技术等。先后在Nature、Nature Electronics、Nature Communications等重要学术期刊发表超过700篇论文。本期易丝帮精选了2篇任天令教授团队关于“可穿戴传感器”的最新研究,供大家学习了解。

 

1、《Advanced Functional Materials》(IF 19.924):受灯笼启发,设计一体式表皮电子传感器

 

表皮电子传感器因在人机交互和健康监测方面的具有广泛应用而备受关注。然而,由于表皮电子传感器与刚性电路板之间缺乏自粘、稳定的互连方法,在日常生活中,表皮电子传感器对人体信号的准确检测仍存在困难。


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鉴于此,清华大学任天令教授团队受灯笼结构的启发,提出了一种新颖而简便的方法,开发一种由金属纤维和静电纺丝聚合物纤维薄膜制成的自粘、坚固、可拉伸的皮肤螺旋式互连材料(OSHI)。螺旋金属纤维作为具有可拉伸性的稳定导体,含有聚二甲基硅氧烷的PU纤维薄膜提供自粘基板。螺旋结构优化了金属纤维上的应力分布,使OSHI的附着能力更加稳定。此外,OSHIs在拉伸时保持了金属纤维的高电导率(≈1.6×108S m−1,100%伸长时电阻变化率小于0.5%,在应变下提供了迄今为止报道的最佳电稳定性。相关研究成果以“Lantern-Inspired On-Skin Helical Interconnects for Epidermal Electronic Sensors”为题目,发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。


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图1 以螺旋金属丝为传导路径,PU/PDMS纤维薄膜为衬底的皮肤螺旋式互连线。

 

表皮电子传感器通常娇小易碎,在实际原型系统中与处理电路板的互连具有挑战性。然而,OSHIs具有自粘性,超薄,易于与表皮电子传感器集成。通过在OSHI上直接制备表皮电子传感器,可成为一个具有薄、皮肤粘附性、导电稳定性和高机械强度的传感器互连集成平台,广泛应用于人机交互和健康监测。OSHI作为一种皮肤上的薄膜互连,可以很好地缓冲硬电路板和软表皮传感器之间应力集中引起的传感器损伤/干扰。

 

任天令教授团队构建了一个腕带手势识别系统,仅使用一个基于OSHI的表皮传感器就可以检测五个手指的敲击动作,这表明了使用OSHI实现更简单、更轻、更准确的人机界面的巨大潜力。此外,利用一体化电极成功地构建了一套精确监测动态12导联心电图的皮肤无线系统。


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图3 基于OSHI应变传感器的一体化传感器互连设备和无线腕带系统,用于手势识别。

 

一体化应变传感器制备过程


1、用静电纺丝PU纤维薄膜包裹两根螺旋铜纤维(图3a-i),螺旋铜纤维的一端被压平,为后续的传感器植入做准备。

2、将一个空心模具浸入PDMS前驱体中,然后将其像密封一样压在薄膜上,以确定传感器的形状和位置(图3a-ii)。

3、以水基碳纳米管导电涂层为例,采用滴涂法形成应变传感器薄膜(图3a-iii)。

4、通过在薄膜上涂覆PDMS,实现了一体化应变传感器。


由于传感器和信号输出线都是基于OSHI构建的,因此一体化设备不需要额外的材料来连接传感器和信号输出线,具有两个关键优势:(1)信号输出线应变对传感器响应的影响大大减弱,从而充分发挥传感器的原有性能。(2)可有效缓解因机械性能不匹配而引起的传感器边缘和互连处的应力集中,避免表皮电子传感器开裂。

 

据悉,基于OSHI的一体化设备设计是开发从2D到3D的皮肤附着表皮电子互连的首次尝试。OSHI为表皮电子传感器提供了一种自粘、稳定的互连方式,解决了表皮电子传感器与芯片处理电路的连接难题,有望促进表皮电子器件在人机界面和健康监测中的实用化。

 

2、《Nature Machine Intelligence》( IF 25.898 ):基于石墨烯的智能可穿戴人工喉

 

语音是人类交流的重要方式,但说话人的健康状态(例如神经疾病、癌症、外伤等原因导致的声音障碍)和周围环境(噪音干扰、传播介质)往往会影响声音的传输和识别。研究人员最近一直在研究通用语音识别和交互技术,这些技术可以很好地处理细微的声音或嘈杂的环境。多通道声波传感器可以提高声音识别的精度,但因体积较大而无法佩戴。


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鉴于此,任天令教授、田禾副教授、杨轶副教授和上海交通大学医学院罗清泉教授开发了一款基于石墨烯的智能可穿戴人工喉(AT),同商业麦克风和压电薄膜相比,人工喉对低频的肌肉运动、中频食管振动和高频声波信息有很高的灵敏度,同时,也具有抗噪声的语音感知能力。对声学信号和机械运动的混合模态的感知使人工喉能够获得更低的语音基频信号。此外,该器件还可以通过热声效应实现声音的播放功能。人工喉的制作过程简单、性能稳定、易于集成,为语音识别和交互提供了一种新的硬件平台。相关研究成果以“Mixed-modality speech recognition and interaction using a wearable artificial throat”为题目发表于期刊《Nature Machine Intelligence》上。


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图1基于可穿戴AT的|语音交互范式。

 

该研究设计的AT集成了声音/运动检测和热声发声,提供了一个紧凑、便携和舒适的语音交互方案。一方面,作为一种机械和声音敏感的可穿戴设备,超薄柔性聚酰亚胺基板具有优异的保形接触能力,使AT可以感知肌肉运动和传输到皮肤表面的音频振动,并可以利用它们检测人类语音的较低基频。由于激光还原石墨烯的稳定性,石墨烯AT在多次机械疲劳测试和声音传感测试中表现出良好的重复性,并能线性感知4%以下的轻微应变。另一方面,作为声源,AT可以产生约60分贝的声音,在安全电压5 V下频率范围为100-20千赫。因此,它是一种有效的工具,可以帮助有发音障碍的人恢复沟通能力。


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图2喉切除术后康复的志愿者患者收集句子和识别结果。

 

AT能够收集运动和声音的多模态信息,使其能够在多任务场景下识别语音。由于AT与皮肤紧密接触,环境噪音不会影响其语音识别能力。最后,由于AT的感知和原位发声能力,其基于语音的交互场景可以扩展和适应特定的工作环境或特殊人群。例如加密会议,飞行员和消防员操作的嘈杂环境,以及声音障碍群体。智能AT恢复了一名患有语音障碍的志愿者患者的能力,使其能够在ACC为91%的情况下说出6个日常句子。

 

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