随着社会医疗保健水平的不断提升，人们越来越希望实现对自身生理数据的实时监测，以期做到对疾病的早发现，早治疗。电子皮肤[1]、可穿戴设备[2]等柔性传感器的发展为实现这一期望带来了极大可能。石墨烯作为一种性能优异[3]的新型材料，被广泛应用于柔性传感器的制备。石墨烯传感器常用于生理信号监测[4]，动作监测及聋哑人辅助发音等方面[5-6]，其中，压阻型传感器由于其突出性能在研究中是占主导地位[7]。此类传感器由活性功能材料（石墨烯）、柔性基底及电极耦合构成，复合结构具有优异的可拉伸性，可以满足柔性传感器需求。然而，二维石墨烯层伸缩性能有限[8]，无法适应医疗级别传感器对精细应力的感知需要。因此，通过不同方案设计来进行优化显得尤为重要。近年来，基于不同设计的石墨烯传感器不断涌现，本文对部分有代表性的方案进行介绍，并对他们在医疗领域的应用做出展望。
1图案化褶皱设计
柔性基底与石墨烯形成褶皱网络的设计，能够极大提升传感器延展性和灵敏度。在受到应力时，石墨烯褶皱结构在微观范围下形变范围大，电阻变化率高，更为出色可拉伸性及灵敏度可以赋予了传感器优异的性能。Chang[9]等人通过模拟沙皮狗皮肤的多维度皱褶纹路，使用还原氧化石墨烯(RGO)电极进行仿生设计，制备了一种抗伸缩性表皮压力传感器。该传感器在伸缩测试中显现出稳定的电阻变化和较高的拉伸性能，并在外科机器人压力传感器上得到成功应用。Chun[10]等人在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上制备的单层石墨烯薄膜并复合紧密排列微柱，并构建了蛙脚垫样高灵敏度传感器。其在低压范围内，比传统传感器灵敏度高出约10倍。并且树蛙脚垫样的六角形结构使传感器能够在皮肤表面紧密粘贴，这为可穿戴的电子设备的设计提供了新的思路。除此之外，Wei等[11]使用激光刻划石墨烯的多层石墨烯表皮电子皮肤，它美观度、灵敏度和稳定性优异，并能在稳定附着于人体，可在未来应用于脉搏等生理信号的监测与识别。Pang等[12]通过磨料纸模板和还原石墨烯的组合，制备具有随机分布的棘状微结构的传感器。棘状尖锐结构在施加的小作用力时接触面积急剧增加,极大提高了感应灵敏度。该传感器耐用性及透气性良好，可应用于如脉搏、呼吸等的生理状态的监测。
2接触式结构
图案化褶皱设计的传感器相对传统的传感器来说灵敏度已经有了很大提升[17-18]，但微结构通常由相对昂贵且易受损坏的硅微模具[13-15]或生物材料[16]制成。另外，这些微结构面对面压阻式传感器往往表现出一个狭窄的传感范围，不太适合涉及人体生理学的应用。因此，接触式结构设计逐渐成为了研究的热点。张华[19]提出了一种双层接触结构传感器，利用接触部分面积稳定变化的特性提高应变范围。传感器由上下两层独立石墨烯条带构成，每层的石墨烯条带的做法是通过激光直写技术直接将石墨烯图形化为梳状结构，将二者相对交叉安置，并用 PDMS 进行二次封装。该方案减少了激光直写法对应变范围测量的影响。测试结果表明，传感器在应变下性能稳定，响应速度较快，适用于皮肤表面微小应变信号的监测。
Tian等[20]受豆荚结构的启发，提出了一种由聚苯乙烯（PS）微球组成的微球芯层夹在两层激光诱导石墨烯/聚氨酯（LIG/PU）薄膜之间的传感器结构。该柔性压力传感器具有自修复特性，在室温下进行三次切割-修复循环后，严重损坏的设备可以自我修复，并且能够保持高灵敏度、良好的线性度、高达100kpa的传感范围和良好的稳定性。该传感器已在人体动脉脉搏监测和步态检测等严格应用中得到进一步验证。这种新颖的设备结构使其易于制造和高性能，为可扩展生产用于人体生理诊断和其他高级可穿戴应用的压力传感器铺平了道路。
3碎片化结构
石墨烯碎片导电机制中，正常状态的石墨烯碎片呈自由分布。在受到外界压力下，碎片之间的接触面积发生变化，导致电阻变化。然而，在施加小应力情况下，接触部分较难产生相对滑动，所以传感器对小应力的探测仍有限，因此，科研工作者对碎片化结构做出了相应的优化。
文献[19]报道了一种基于纳米小球复合石墨烯的柔性应力传感器。聚苯乙烯（PS）纳米小球复合加入后，原本紧密接触的石墨烯碎片变得疏松，水平方向上的碎片间接触面积减少，石墨烯碎片与PS纳米小球的结合力也更小，接触部分更易在受力下产生相对滑动，产生更大的电阻的变化幅度。垂直方向上，原本自由沉积后堆叠的石墨烯层被绝缘球体撑开，层间接触部分的电阻所占比例提高，在施加应力时石墨烯层间接触部分会在表面正应力的作用下产生相对滑动，对石墨烯的导电通道造成很大影响，从而使得石墨烯传感器的灵敏度大幅提高。
多孔活性材料由于其固有的整体三维网络结构完好，不能发生很大的变化。因此，大多数压阻型传感器的灵敏度低，无法在低压力环境中进行检测。为了克服这些缺点，Yang等[21]基于此设计了一种剪切碎片式石墨烯气凝胶（CGA）的传感器。该CGA应力传感器的电流变化率及低压下灵敏度比未剪切的CGA传感器提高了约10倍。该传感器循环稳定性优良，经4200次循环后仍保持稳定。此外，CGA还能检测到人类手腕脉冲中的微弱信号，远远超出了普通传感器的检测能力。这种方法可以大大提高基于多孔材料和弹性材料的传感器的性能，未来有望应用于高性能医疗传感器的制备。
4无线传感器
单个传感器的多功能化十分有限，要做到能够检测复杂生理数据就必须依靠集成技术。然而，在单元阵列扩展时独立传感单元间的连线复杂且分辨率低，难以应用于生理数据的大量传输。为了解决这个问题，Inoue等[22]提出了一种由石墨烯片和发射线圈与PDMS管集成的无线压力传感器。利用电磁效应，外部接收器线圈与体内线圈电磁耦合，无线监控管内压力。经无线压力测试后研究人员发现，可以通过增加接收线圈、N和重叠线圈的匝数实现高精度的血压测量。另外，该传感器可以通过调整尺寸改变灵敏度，具有良好通用性，可以在未来得到了广泛的应用。然而，植入血管后，传感器对人体的安全性叩需进一步探究。
Kou[23]等提出了提出了一种基于石墨烯/PDMS（GR/PDMS）海绵作为介电层的无线柔性压力传感器。将GR/PDMS海绵置于图案化的柔性电路中，便可通过电容效应获得了无线压力传感器。当外部压力作用于传感器时，GR/PDMS海绵被压缩，颗粒间间距减小，总电容随并联电容器数量的增加而增大。经测试，该传感器工作范围大、响应快、灵敏度高，性能十分优异。此外，研究人员通过绘制曲指和面部表情肌运动的电容和频率响应曲线，验证了所制无线压力传感器的实用性。该传感器具有成本低、测试简单、稳定性高、无电池等优点，适用于智能机器人、仿生电子皮肤等无线检测设备中，具有广泛的应用前景。
5展望
综上所诉，近期开发的新型感受器较传统感受器具有更好的物化生物性能，有望在未来发展成为具有超高性能的智能医疗监测设备。然而，当下新型传感器普遍存在能耗大、延展性差、功能化单一及易受干扰的问题，阻碍了医用监测设备的临床使用。我们相信，当这些问题得到解决时，石墨烯感受器就可以成为下一代智能化医疗监测及手术辅助设备的关键。
参考文献
[1] 张华. 基于石墨烯的柔性应力传感器制备与性能研究[D].电子科技大学,2018.
作者简介 第一作者：朱可石（1999~），男，江苏南京人，学士在读，从事组织工程研究。
