自供电石墨烯智能传感器：革新伤口监测方式
自供电石墨烯智能传感器：革新伤口监测方式
一种全新的自供电石墨烯智能传感器，借助激光诱导石墨烯（LIG）技术，实现了温度与应变的同步独立监测，为医疗领域中伤口愈合过程的实时追踪提供了创新工具。
在医疗健康监测领域，自供电可穿戴传感器面临的关键难题之一是如何有效区分同时出现的多种信号。麦姆斯咨询近期报道，来自美国宾夕法尼亚州立大学（Penn State）与河北工业大学的研究团队通过研究激光诱导石墨烯材料的新特性，成功开发出一种新型柔性传感器——自供电石墨烯智能传感器。该传感器不仅能同时精准监测温度与应变，还可将两种信号独立处理，从而更准确地识别各类生理指标。
该研究提出了一种基于多孔激光诱导石墨烯纳米复合材料的整体设计思路，并探索了其在多种应用场景中的潜力。
研究成果以“Thermoelectric porous laser-induced graphene-based strain-temperature decoupling and self-powered sensing”为题，发表于《自然通讯》（Nature Communications）。宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系副教授Huanyu Larry Cheng作为共同通讯作者之一表示，这种新型激光诱导石墨烯材料在医疗监测方面展现出巨大应用前景。通过精准捕捉伤口愈合过程中的温度变化与物理应变，该传感器能够为医生提供更清晰的数据，帮助其及时发现可能的炎症反应。
研究人员利用激光诱导石墨烯这一二维材料，实现了温度与应变信号的独立采集，避免了传统传感器中信号交叉干扰的问题。激光诱导石墨烯材料仅由一到几个原子层组成，具备独特的物理与化学特性。当激光以特定方式照射富含碳的材料（如塑料或木材）时，其表面可转化为石墨烯结构，从而形成LIG图案。这种方式提供了一种简便、可扩展的制造方法，适用于传感器、电子器件和能源存储系统。
此前，激光诱导石墨烯已在气体传感、汗液电化学分析及超级电容器等领域得到应用。此次研究中，研究团队首次揭示了LIG材料的热电特性，为构建多功能智能传感器提供了新材料基础。
Huanyu Larry Cheng表示，热电材料能够将温度差转化为电压，反过来也可将电能转化为热能，这种特性使其在能量采集和温度传感方面具有广泛应用。LIG材料的新发现使其在医疗监测领域更具价值，特别是在贴合式传感器的设计中。
通过电阻变化获取应变数据，同时利用热电压测定温度，LIG材料成功实现了对两种信号的解耦。这一特性使得该传感器在嵌入式医疗设备中具有高度实用性，例如应用于智能绷带。
基于多孔石墨烯泡沫的可拉伸热电传感器，可有效实现温度梯度与应变的同时解耦监测。
该传感器具备极高的灵敏度，能够检测到0.5摄氏度的温度变化。通过优化多孔结构与热电元件的协同作用，其热能转化效率提升了近4倍。此外，传感器具有良好的柔韧性，可拉伸至原始长度的145%，并能贴合多种复杂曲面，而不会影响其性能。
Huanyu Larry Cheng表示，多孔结构使材料与环境之间产生强烈的相互作用，从而提高了其对微小变化的响应能力，特别适用于与人体软组织接触的应用。
由于LIG材料在存在温度差时可产生电能，因此该传感器具有自供电能力。这种特性对于在临床环境中实现长期监测以及在偏远地区用于火灾预警等场景具有重要意义。
研究团队还正在开发一种配套的无线系统，使传感器数据能够远程传输。通过智能手机或其他移动设备，用户可实时获取温度与应变等关键信息。
Huanyu Larry Cheng表示，这种技术的普及有望提升医疗监测效率，例如医生可远程跟踪患者病情，应急人员也可及时收到环境温度异常的警报。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55790-x
延伸阅读：
- 《石墨烯市场和二维材料评估-2023版》
- 《传感器技术及市场-2024版》
- 《安费诺NovaSensor压力传感器芯片P883产品分析》
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