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15
2023
-
06
石墨烯納米紋身——無需電池即可進行人體特征監測
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皮膚電子設備是一種新興技術，在各個領域都具有廣闊的應用前景。這些設備旨在無縫集成到皮膚表面，提供廣泛的應用和優于傳統硬件平臺的優勢。通過利用薄膜和其他先進材料的柔韌性和可拉伸性，皮膚上的電子設備可以實現舒適、無創且不顯眼的監測以及與人體的互動。基于嵌入石墨烯氣凝膠中的 ZnO 納米線的納米紋身墨水可以在任何有環境無線信號和智能手機的地方分析和跟蹤人體運動的質量，將每個表面都變成一個潛在的傳感器，將人體數字化。
皮膚電子設備的主要用途之一是醫療保健和醫療監測領域。這些設備可用于測量心率、體溫、血壓和氧氣水平等生命體征，為醫療保健專業人員提供實時數據。除了醫療保健之外，這些設備在其他各個領域都有應用。它們可用于運動和健身，以跟蹤運動、肌肉活動和水合水平等性能指標。此外，它們在增強現實和虛擬現實應用中具有潛在用途，可以通過將傳感器和執行器直接整合到皮膚上來創建交互式體驗。
研究人員找到了一種創建納米紋身的方法，這種紋身可以使用類似于 RFID 標簽的技術被動發送數據，從而克服了該技術的長期障礙。圖片來源：KESHAN PERERA/HNUSTUDIO
但正如預期的那樣，為了使這些設備不引人注目，它們可以包含的可能組件的選擇非常有限。皮膚設備真正難以充分發揮作用的一個領域是無線通信。傳統上，這需要收發器、放大器、模數轉換器和電池等硬件。所有這些硬件都會造成很大的體積，這對佩戴者來說很突兀，而且還會將設備放置在身體上的位置限制在手腕等不會造成負擔的位置。
由于 Yeditepe 大學和土耳其伊斯坦布爾技術大學的一對研究人員的工作，未來的可穿戴設備可能會更加緊湊和舒適。他們開發了一種他們稱之為納米紋身的東西，可以噴在身體的任何地方（或其他表面）。一旦到位，這種納米紋身可以被動地將數據發送到外部設備，無需電線或板載電源。
紋身由兩種不同的墨水疊加而成。一種由氧化鋅制成，其中嵌入了納米線。最重要的是石墨烯氣凝膠導電油墨。通過在底層也包含少量氣凝膠，這兩種墨水能夠牢固地相互粘附。這些墨水都是用針頭涂在皮膚表面的。
這種納米紋身無需笨重的組件即可進行無線通信——由石墨烯底層（黑色）和嵌入納米線（白色）頂層構成圖片來源：伊斯坦布爾技術大學/IEEE
納米紋身的獨特成分使其能夠通過壓電效應發電，因為紋身在佩戴者正常移動時會改變形狀。然后利用反向散射通信原理，智能手機等外部設備可以在寬帶調制解調器的幫助下從紋身反射信號以接收數據。
這些信號允許紋身和智能手機建立鏈接，之后手機可以持續監控紋身發出的射頻信號。這些信號在人工智能算法的幫助下進行解釋。
這項創新解決了長期存在于皮膚可穿戴設備中的一個問題——如何在真實世界條件下從設備無縫檢索數據。該團隊相信他們的設備將為可穿戴設備提供各種新的用例。他們目前正在研究基于他們技術的可穿戴腦電圖，然而，運動發電的要求可能是此類應用的一個問題。不過不用擔心——另一種技術正在開發中，可以使用汗液或唾液來完成這項工作。
原文：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10081350
信息來源：Carbontech
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