傳感器是可以將接收到的信息轉(zhuǎn)換為電信號或其他信號輸出的檢測設(shè)備。在這個智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的時代，傳感器已經(jīng)成為獲取信息的主要方式和手段，人們對傳感器靈敏度和應(yīng)用范圍的要求也越來越高。石墨烯是一種二維材料，具有優(yōu)異的特性，包括高柔韌性、輕質(zhì)、良好的機械性能(42 N·m?1斷裂強度)、高電子遷移率(室溫下10,000 cm?2·s?1)、優(yōu)越的導(dǎo)熱性(單層片>5000 W·mK?1)和其共價鍵結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)異的化學(xué)惰性。這些特性使其成為制造可穿戴、柔性、輕便、易于集成的傳感器的理想選擇。

在過去三年新冠病毒全球肆虐的過程中，石墨烯病毒傳感器的檢測被學(xué)術(shù)界廣泛研究。這些新型石墨烯傳感器能夠在準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)上完成信號檢測，為研究人員選擇和制造傳感器材料提供了重要參考。

石墨烯傳感器由于具有包括柔性、重量輕、易于集成和出色的電學(xué)性能等優(yōu)點，在元宇宙研究中展現(xiàn)出優(yōu)勢。在過去10年里，清華大學(xué)任天令教授團隊專注于開發(fā)面向人機交互和醫(yī)療健康的先進石墨烯傳感器，積累了豐富的經(jīng)驗，做出了優(yōu)秀的成果。

前段時間，任天令教授團隊在由清華大學(xué)主辦的國際英文綜合性期刊《Carbon Future》上發(fā)表題為“Graphene-based sensors for human-machine interaction”的綜述文章。這篇綜述重點介紹了各種傳感器所針對的采集信號，設(shè)計方法，制造工藝和性能特征，并討論了石墨烯傳感器在人機交互中的未來發(fā)展方向，包括多模態(tài)、提高舒適度和智能化。

任天令教授表示，“該綜述論文概述了用于測量身體信號的石墨烯傳感器研究進展。人體從頭到腳的很多部位都有潛力發(fā)展成人機界面。大腦、眼睛、耳朵、鼻子、嘴巴、喉嚨、指尖、皮膚、關(guān)節(jié)、腳都可以作為基于腦電圖（EEG）、肌電圖（EMG）、眼電圖（EOG）、眼動、光線、呼吸、聲音、觸摸、溫度、運動、步態(tài)和其他生理信息的人機交互界面?！?/p>

其中，面向喉部界面的石墨烯傳感器：2011年，任天令教授團隊證明了石墨烯可以發(fā)出聲音。這一發(fā)現(xiàn)擴大了石墨烯在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。團隊利用石墨烯的聲學(xué)性能開發(fā)了多種用于人機交互界面的傳感器和執(zhí)行器。其中特別有發(fā)展前景的是人工喉，它在醫(yī)療保健和人機交互中顯示出極大的應(yīng)用潛力。

2023年11月13日，原京東副總裁、漸凍癥患者蔡磊試用了任天令教授團隊開發(fā)的智能可穿戴人工喉，成為全球首個使用可穿戴人工喉的漸凍癥患者。據(jù)悉，這一可穿戴智能人工喉系全球首創(chuàng)，該設(shè)備能夠采集蔡磊喉部發(fā)聲的信號，再將其轉(zhuǎn)換還原為蔡磊的原聲，發(fā)出了與蔡磊患病前一樣的聲音。 ?

任天令教授團隊主要研究方向為智能微納電子器件、芯片與系統(tǒng)，包括：智能傳感器與智能集成系統(tǒng)，二維納電子器件與芯片，柔性、可穿戴器件與系統(tǒng)，智能信息器件與系統(tǒng)技術(shù)等。任天令教授團隊擁有利用石墨烯設(shè)計了世界上首個柔性可貼附的智能人工吼；提出了一種激光編程異質(zhì)應(yīng)變傳感器的方法，其可調(diào)制局部耦合的電氣和機械性能，以實現(xiàn)傳感器性能可定制化；開發(fā)了一種由層疊石墨烯薄膜和多孔石墨烯泡沫組成的石墨烯護甲，用于人體電磁干擾屏蔽和運動監(jiān)測；提出了一種基于激光直寫和熱轉(zhuǎn)印技術(shù)的可批量制備的可穿戴石墨烯基織物傳感器等等科技研究成果。

“該綜述論文將刺激新型石墨烯傳感器的開發(fā)工作，從而促進更自然的人機交互界面并改善醫(yī)療保健中的實時數(shù)據(jù)收集和響應(yīng)。用于人機交互界面的石墨烯傳感器預(yù)計在未來幾年將變得更加多樣化和實用化。在身體的同一部位，人類和機器能夠以多種不同的方式與不同的信號進行交互。”任天令教授表示。

審核編輯：黃飛

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