石墨烯傳感器作為石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域的重要分支，以其高靈敏度、快速響應(yīng)和穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物傳感、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并有望實(shí)現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)。作為重點(diǎn)布局“新能源與器件”領(lǐng)域的關(guān)鍵增長(zhǎng)潛力，墨?？萍家恢敝铝τ谑﹤鞲衅鞯难邪l(fā)與應(yīng)用。

日前，墨睿科技創(chuàng)始人蔡金明博士帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功地將氧化石墨烯(GO)與絲素蛋白(SF)結(jié)合，創(chuàng)新性地制備出一種兼具柔性壓力傳感和高效油水分離的雙功能石墨烯氣凝膠(GSA)。該研究成果以“Anisotropic Free-Standing Aerogels Based on Graphene/Silk for Pressure Sensing and Efficient Adsorption”為題發(fā)表在國(guó)際高水平期刊ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 25, 30630–30642上。

圖1 GSA的制備過(guò)程及物理特性演示。(a)GSA的制備過(guò)程說(shuō)明；(b)SF和GO的ζ電勢(shì)測(cè)試結(jié)果；(c)GSA超輕特性；(d)GSA導(dǎo)電特性。

在本研究中，GSA被進(jìn)一步加工成三明治結(jié)構(gòu)，并深入研究了其作為柔性可穿戴壓力傳感器的可能性。從研究結(jié)果看，由于GSA高度有序的各向異性結(jié)構(gòu)，其可以通過(guò)壓阻效應(yīng)快速、準(zhǔn)確地將刺激信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。GSA傳感器在0.5–30 kPa內(nèi)的靈敏度分別為0.54 kPa-1（＜4 kPa）和0.21 kPa-1（＞4 kPa），且靈敏度線性均超過(guò)0.99；而且，該傳感器還具有良好的耐久性，在超過(guò)12000次循環(huán)后，實(shí)時(shí)電流值仍然保持在初始電流值的94%左右。GSA傳感器還被佩戴在人體上以用于健康監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別和運(yùn)動(dòng)捕捉，相關(guān)測(cè)試結(jié)果表明，它可以檢測(cè)和識(shí)別脈搏在內(nèi)的一系列從小到大的壓力信號(hào)。

圖2 GSA 柔性傳感器在不同應(yīng)用場(chǎng)景的信號(hào)監(jiān)測(cè)。(a)手指敲擊；(b)手指彎曲；(c)手腕彎曲；(d)行走和奔跑；(e)手腕脈搏；(f)不同速度推動(dòng)滑塊；(g)喉嚨吞咽；(h)不同字母的發(fā)音；(i)不同單詞的發(fā)音。

GSA柔性傳感器具備在不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)的能力，從而能夠獲取各類生物力學(xué)的數(shù)據(jù)。如圖2(a)、(b)、(c)所示，通過(guò)將GSA柔性傳感器連接在手指、手腕等位置，并執(zhí)行手指輕拍敲擊、食指逐漸彎曲、運(yùn)動(dòng)時(shí)手腕彎曲等動(dòng)作，可以產(chǎn)生不同強(qiáng)度的脈沖信號(hào)，這些信號(hào)可用于監(jiān)測(cè)人體手部運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)。GSA柔性傳感器還能夠精確捕捉運(yùn)動(dòng)節(jié)奏的快慢，如圖2(d)行走或奔跑的運(yùn)動(dòng)頻率能有效檢測(cè)并區(qū)分，圖2(g)手腕脈搏可以精確區(qū)分橈動(dòng)脈脈搏的P波、T波與D波。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)了GSA柔性傳感器在健康監(jiān)測(cè)和醫(yī)療診斷領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

除此之外，GSA柔性傳感器還能夠敏銳地識(shí)別和分析微弱的喉部肌肉震動(dòng)，如圖2(g)、(h)、(i)所示，未來(lái)可以利用其作為語(yǔ)音檢測(cè)、識(shí)別等功能的應(yīng)用基礎(chǔ)。

目前，隨著石墨烯批量制備成本的降低和功能化定制工藝的成熟，石墨烯傳感器的制備進(jìn)程得到了有效推進(jìn)。這一發(fā)展將為傳感器領(lǐng)域帶來(lái)更為廣泛的應(yīng)用前景，同時(shí)也為傳感器的發(fā)展指明了新的方向。在未來(lái)的發(fā)展中，石墨烯傳感器將會(huì)展現(xiàn)出更為快速的發(fā)展趨勢(shì)，為各類應(yīng)用場(chǎng)景提供更為精準(zhǔn)、高效的傳感解決方案。墨?？萍紝⒃诖搜芯砍晒幕A(chǔ)上加大研發(fā)投入，為客戶提供高性能、高品質(zhì)的石墨烯產(chǎn)品和解決方案，以滿足如人機(jī)互動(dòng)、醫(yī)療反饋傳感等明確的市場(chǎng)需求。