清華大學任天令教授團隊長期致力于基于二維材料的智能微納電子器件、芯片與系統的研究，包括：智能傳感器與智能集成系統，二維納電子器件與芯片，柔性、可穿戴器件與系統，智能信息器件與系統技術等。先后在Nature、Nature Electronics、Nature Communications等重要學術期刊發表超過700篇論文。本期易絲幫精選了2篇任天令教授團隊關于“可穿戴傳感器”的最新研究，供大家學習了解。
1、《Advanced Functional Materials》(IF 19.924)：受燈籠啟發，設計一體式表皮電子傳感器
表皮電子傳感器因在人機交互和健康監測方面的具有廣泛應用而備受關注。然而，由于表皮電子傳感器與剛性電路板之間缺乏自粘、穩定的互連方法，在日常生活中，表皮電子傳感器對人體信號的準確檢測仍存在困難。
鑒于此，清華大學任天令教授團隊受燈籠結構的啟發，提出了一種新穎而簡便的方法，開發一種由金屬纖維和靜電紡絲聚合物纖維薄膜制成的自粘、堅固、可拉伸的皮膚螺旋式互連材料（OSHI）。螺旋金屬纖維作為具有可拉伸性的穩定導體，含有聚二甲基硅氧烷的PU纖維薄膜提供自粘基板。螺旋結構優化了金屬纖維上的應力分布，使OSHI的附著能力更加穩定。此外，OSHIs在拉伸時保持了金屬纖維的高電導率(≈1.6×108S m?1，100%伸長時電阻變化率小于0.5%，在應變下提供了迄今為止報道的最佳電穩定性。相關研究成果以“Lantern-Inspired On-Skin Helical Interconnects for Epidermal Electronic Sensors”為題目，發表在期刊《Advanced Functional Materials》上。
圖1 以螺旋金屬絲為傳導路徑，PU/PDMS纖維薄膜為襯底的皮膚螺旋式互連線。
表皮電子傳感器通常嬌小易碎，在實際原型系統中與處理電路板的互連具有挑戰性。然而，OSHIs具有自粘性，超薄，易于與表皮電子傳感器集成。通過在OSHI上直接制備表皮電子傳感器，可成為一個具有薄、皮膚粘附性、導電穩定性和高機械強度的傳感器互連集成平臺，廣泛應用于人機交互和健康監測。OSHI作為一種皮膚上的薄膜互連，可以很好地緩沖硬電路板和軟表皮傳感器之間應力集中引起的傳感器損傷/干擾。
任天令教授團隊構建了一個腕帶手勢識別系統，僅使用一個基于OSHI的表皮傳感器就可以檢測五個手指的敲擊動作，這表明了使用OSHI實現更簡單、更輕、更準確的人機界面的巨大潛力。此外，利用一體化電極成功地構建了一套精確監測動態12導聯心電圖的皮膚無線系統。
圖3 基于OSHI應變傳感器的一體化傳感器互連設備和無線腕帶系統，用于手勢識別。
一體化應變傳感器制備過程
1、用靜電紡絲PU纖維薄膜包裹兩根螺旋銅纖維(圖3a-i)，螺旋銅纖維的一端被壓平，為后續的傳感器植入做準備。
2、將一個空心模具浸入PDMS前驅體中，然后將其像密封一樣壓在薄膜上，以確定傳感器的形狀和位置(圖3a-ii)。
3、以水基碳納米管導電涂層為例，采用滴涂法形成應變傳感器薄膜(圖3a-iii)。
4、通過在薄膜上涂覆PDMS，實現了一體化應變傳感器。
由于傳感器和信號輸出線都是基于OSHI構建的，因此一體化設備不需要額外的材料來連接傳感器和信號輸出線，具有兩個關鍵優勢:(1)信號輸出線應變對傳感器響應的影響大大減弱，從而充分發揮傳感器的原有性能。(2)可有效緩解因機械性能不匹配而引起的傳感器邊緣和互連處的應力集中，避免表皮電子傳感器開裂。
據悉，基于OSHI的一體化設備設計是開發從2D到3D的皮膚附著表皮電子互連的首次嘗試。OSHI為表皮電子傳感器提供了一種自粘、穩定的互連方式，解決了表皮電子傳感器與芯片處理電路的連接難題，有望促進表皮電子器件在人機界面和健康監測中的實用化。
2、《Nature Machine Intelligence》( IF 25.898 )：基于石墨烯的智能可穿戴人工喉
語音是人類交流的重要方式，但說話人的健康狀態（例如神經疾病、癌癥、外傷等原因導致的聲音障礙）和周圍環境（噪音干擾、傳播介質）往往會影響聲音的傳輸和識別。研究人員最近一直在研究通用語音識別和交互技術，這些技術可以很好地處理細微的聲音或嘈雜的環境。多通道聲波傳感器可以提高聲音識別的精度，但因體積較大而無法佩戴。
鑒于此，任天令教授、田禾副教授、楊軼副教授和上海交通大學醫學院羅清泉教授開發了一款基于石墨烯的智能可穿戴人工喉（AT），同商業麥克風和壓電薄膜相比，人工喉對低頻的肌肉運動、中頻食管振動和高頻聲波信息有很高的靈敏度，同時，也具有抗噪聲的語音感知能力。對聲學信號和機械運動的混合模態的感知使人工喉能夠獲得更低的語音基頻信號。此外，該器件還可以通過熱聲效應實現聲音的播放功能。人工喉的制作過程簡單、性能穩定、易于集成，為語音識別和交互提供了一種新的硬件平臺。相關研究成果以“Mixed-modality speech recognition and interaction using a wearable artificial throat”為題目發表于期刊《Nature Machine Intelligence》上。
圖1基于可穿戴AT的|語音交互范式。
該研究設計的AT集成了聲音/運動檢測和熱聲發聲，提供了一個緊湊、便攜和舒適的語音交互方案。一方面，作為一種機械和聲音敏感的可穿戴設備，超薄柔性聚酰亞胺基板具有優異的保形接觸能力，使AT可以感知肌肉運動和傳輸到皮膚表面的音頻振動，并可以利用它們檢測人類語音的較低基頻。由于激光還原石墨烯的穩定性，石墨烯AT在多次機械疲勞測試和聲音傳感測試中表現出良好的重復性，并能線性感知4%以下的輕微應變。另一方面，作為聲源，AT可以產生約60分貝的聲音，在安全電壓5 V下頻率范圍為100-20千赫。因此，它是一種有效的工具，可以幫助有發音障礙的人恢復溝通能力。
圖2喉切除術后康復的志愿者患者收集句子和識別結果。
AT能夠收集運動和聲音的多模態信息，使其能夠在多任務場景下識別語音。由于AT與皮膚緊密接觸，環境噪音不會影響其語音識別能力。最后，由于AT的感知和原位發聲能力，其基于語音的交互場景可以擴展和適應特定的工作環境或特殊人群。例如加密會議，飛行員和消防員操作的嘈雜環境，以及聲音障礙群體。智能AT恢復了一名患有語音障礙的志愿者患者的能力，使其能夠在ACC為91%的情況下說出6個日常句子。
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