基于人机交互界面的石墨烯传感器研究进展

传感器是可以将接收到的信息转换为电信号或其他信号输出的检测设备。在这个智能化、数字化和网络化的时代，传感器已经成为获取信息的主要方式和手段，人们对传感器灵敏度和应用范围的要求也越来越高。石墨烯是一种二维材料，具有优异的特性，包括高柔韧性、轻质、良好的机械性能(42 N·m−1断裂强度)、高电子迁移率(室温下10,000 cm−2·s−1)、优越的导热性(单层片>5000 W·mK−1)和其共价键结构带来的优异的化学惰性。这些特性使其成为制造可穿戴、柔性、轻便、易于集成的传感器的理想选择。

在过去三年新冠病毒全球肆虐的过程中，石墨烯病毒传感器的检测被学术界广泛研究。这些新型石墨烯传感器能够在准确可靠的基础上完成信号检测，为研究人员选择和制造传感器材料提供了重要参考。

石墨烯传感器由于具有包括柔性、重量轻、易于集成和出色的电学性能等优点，在元宇宙研究中展现出优势。在过去10年里，清华大学任天令教授团队专注于开发面向人机交互和医疗健康的先进石墨烯传感器，积累了丰富的经验，做出了优秀的成果。

前段时间，任天令教授团队在由清华大学主办的国际英文综合性期刊《Carbon Future》上发表题为“Graphene-based sensors for human-machine interaction”的综述文章。这篇综述重点介绍了各种传感器所针对的采集信号，设计方法，制造工艺和性能特征，并讨论了石墨烯传感器在人机交互中的未来发展方向，包括多模态、提高舒适度和智能化。

任天令教授表示，“该综述论文概述了用于测量身体信号的石墨烯传感器研究进展。人体从头到脚的很多部位都有潜力发展成人机界面。大脑、眼睛、耳朵、鼻子、嘴巴、喉咙、指尖、皮肤、关节、脚都可以作为基于脑电图（EEG）、肌电图（EMG）、眼电图（EOG）、眼动、光线、呼吸、声音、触摸、温度、运动、步态和其他生理信息的人机交互界面。”

其中，面向喉部界面的石墨烯传感器：2011年，任天令教授团队证明了石墨烯可以发出声音。这一发现扩大了石墨烯在声学领域的应用。团队利用石墨烯的声学性能开发了多种用于人机交互界面的传感器和执行器。其中特别有发展前景的是人工喉，它在医疗保健和人机交互中显示出极大的应用潜力。

2023年11月13日，原京东副总裁、渐冻症患者蔡磊试用了任天令教授团队开发的智能可穿戴人工喉，成为全球首个使用可穿戴人工喉的渐冻症患者。据悉，这一可穿戴智能人工喉系全球首创，该设备能够采集蔡磊喉部发声的信号，再将其转换还原为蔡磊的原声，发出了与蔡磊患病前一样的声音。  

任天令教授团队主要研究方向为智能微纳电子器件、芯片与系统，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。任天令教授团队拥有利用石墨烯设计了世界上首个柔性可贴附的智能人工吼；提出了一种激光编程异质应变传感器的方法，其可调制局部耦合的电气和机械性能，以实现传感器性能可定制化；开发了一种由层叠石墨烯薄膜和多孔石墨烯泡沫组成的石墨烯护甲，用于人体电磁干扰屏蔽和运动监测；提出了一种基于激光直写和热转印技术的可批量制备的可穿戴石墨烯基织物传感器等等科技研究成果。

“该综述论文将刺激新型石墨烯传感器的开发工作，从而促进更自然的人机交互界面并改善医疗保健中的实时数据收集和响应。用于人机交互界面的石墨烯传感器预计在未来几年将变得更加多样化和实用化。在身体的同一部位，人类和机器能够以多种不同的方式与不同的信号进行交互。”任天令教授表示。

审核编辑：黄飞