自供電石墨烯智慧感測器：讓傷口監測不再痛苦

在用於健康照護監測的自供電穿戴式感測器領域，一大挑戰是當不同訊號同時出現時，如何將它們區分開來。賓州州立大學和中國河北工業大學的研究人員透過發現一種感測器材料的新特性，解決了這個問題。這使得研究團隊能夠開發出一種新型的柔性感測器，它可以同時但分別精準測量溫度和物理應變，從而更精確地定位各種訊號。

賓州州立大學工程科學與力學系的詹姆斯・L・亨德森紀念副教授、該研究論文共同通訊作者程寰宇（Larry）表示：「我們開發的這種獨特感測器材料，在健康照護監測方面有潛在的重要應用。透過精準測量傷口癒合過程中產生的溫度變化和物理變形或應變，並將這兩種訊號分開測量，它可能會徹底改變傷口癒合的追蹤方式。醫生可以更清楚地瞭解傷口癒合過程，及早發現發炎等問題。」

研究人員旨在利用雷射誘導石墨烯這種二維材料，精準測量溫度和應變訊號，且避免幹擾。和包括普通石墨烯在內的所有二維材料一樣，雷射誘導石墨烯只有一到幾個原子的厚度，具有獨特的特性，但又有所不同。當雷射加熱某些富含碳的材料（如塑膠或木材）時，會將其表面轉化為石墨烯結構，從而形成雷射誘導石墨烯（LIG）。雷射實質上是直接在材料上「寫」出石墨烯，這是一種簡單且可擴充套件的方法，可用於製造用於電子、感測器和能源裝置的石墨烯圖案。

LIG以前曾用於各種應用。此前，程寰宇和他的團隊曾將LIG用於氣體感測器、用於汗水分析的電化學檢測器、超級電容器等等。然而，研究人員表示，他們相信首次發現了LIG的一種新特性，使其成為多功能且精準感測器的理想選擇。

程寰宇說：「在這項特定研究中，我們偶然發現這種材料還具有熱電特性。我們相信這是首次有人報導雷射誘導石墨烯具有熱電能力。這對我們在此嘗試做的事情非常重要，也就是分別測量溫度變化和物理應變或變形。」

材料的熱電特性是指將溫度差轉化為電壓，反之亦然的能力，這使得此類材料可用於能量收集和溫度感測等應用。根據程寰宇的說法，LIG新發現的這種熱電特性使其易於分開兩種感測器測量值，非常適合用於健康照護應用，例如嵌入繃帶中的感測器。

程寰宇表示：「當材料對溫度和應變都敏感時，很難判斷是哪種訊號導致材料發生變化。但透過利用雷射誘導石墨烯的這種熱電效應，我們基本上可以將這兩種測量分開。我們可以透過檢視電阻來獲取有關應變的資訊，同時測量熱電壓來確定溫度。這就是為什麼醫生可以用它來追蹤傷口部位的溫度波動和物理變化，更清楚地瞭解傷口癒合進展。」

他還指出，該感測器非常靈敏，能夠檢測到小至0.5攝氏度的溫度變化。這種材料的設計利用了多孔石墨烯和熱電元件的協同工作方式，使其將熱能轉化為電能的效率提高了近四倍。該感測器還可以拉伸至45%，並能適應不同的形狀和表面，且不會失去功能。

程寰宇說：「這種材料的多孔結構創造了許多微小的空間和通道，使其能夠以非常靈敏的方式與周圍環境相互作用。這使其非常適合與人體軟組織相接觸，這與陶瓷基等更堅硬的熱電材料形成了對比。」

由於LIG的熱電特性意味著它在存在溫度差時可以產生電力，因此LIG感測器是自供電的。根據程寰宇的說法，這在臨床環境中的連續監測以及其他應用（如幫助在偏遠地區檢測火災）中可能特別有用。

除了改進感測器，該團隊還在開發一種無線系統，使人們能夠遠端監測感測器資料。這將使使用智慧手機或其他裝置實時追蹤重要資訊（如溫度或應變）成為可能。

程寰宇表示：「例如，醫生可以遠端監測患者的病情，應急人員可以收到危險溫度變化的警報。這些進步旨在使該技術更易於使用且更有效，有助於改善日常生活中的健康監測和安全。」

除了程寰宇，論文的其他作者還包括賓州州立大學工程科學與力學系的研究生安坎・杜塔，以及來自河北工業大學的李洋、薛晨、張慧、王子涵、靳明陽、杜帥傑和徐貴芝。