革命性的智能传感器通过精确的温度和应变跟踪增强伤口监测

宾夕法尼亚州立大学工程学院，宾夕法尼亚州大学公园

这种灵活的传感器非常适合在人体中使用，它使用激光诱导石墨烯同时但单独测量温度和应变，通过提供对炎症和恢复的更清晰的了解，有可能实现更好的伤口愈合监测。 （图片来源：Jennifer M. McCann）

用于医疗保健监测的自供电可穿戴传感器的一个主要挑战是区分同时出现的不同信号。宾夕法尼亚州立大学和中国河北工业大学的研究人员通过发现传感器材料的新特性解决了这个问题，使团队能够开发出一种新型柔性传感器，可以同时但单独地精确测量温度和物理应变，从而更精确地查明各种信号。

“我们开发的这种独特的传感器材料在医疗保健监测方面具有潜在的重要应用，”宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学 (ESM) 纪念副教授、该研究的共同通讯作者 Huanyu “Larry” Cheng 说道。 “通过准确测量温度变化和愈合伤口产生的物理变形或应变，并通过分离两个信号来测量，它可以彻底改变伤口愈合的跟踪。医生可以更清晰地了解愈合过程，尽早发现炎症等问题。”

研究人员旨在通过使用激光诱导石墨烯 (LIG)（一种二维 (2D) 材料）准确测量温度和应变信号，而不会产生串扰。与包括常规石墨烯在内的所有二维材料一样，激光诱导石墨烯的厚度为一到几个原子，具有独特的性能，但有一些扭曲。当激光加热某些富含碳的材料（如塑料或木材）时，激光诱导石墨烯就会形成，从而将其表面转化为石墨烯结构。激光本质上是将石墨烯直接“写入”到材料上，使其成为一种简单且可扩展的方式来生产用于电子产品、传感器和能源设备的石墨烯图案。

LIG 之前已在各种应用中使用过。此前，程和他的团队将其用于气体传感器、用于汗液分析的电化学探测器、超级电容器等。然而，研究人员相信他们发现了 LIG 的一个新特性，使其成为理想的多用途、精确传感器。

“在我们的研究中，我们偶然发现这种材料也具有热电特性，”程说。 “我们相信这是第一次有人报道激光诱导石墨烯具有热电能力。这对于我们在这里尝试做的事情非常重要，即分别测量温度变化和物理应变或变形。”

材料的热电特性是指将温差转换为电压的能力，反之亦然，使此类材料能够用于能量收集和温度传感等应用。 Cheng 表示，新发现的 LIG 热电特性使得可以轻松分离两个传感器测量结果，因此非常适合医疗保健应用，例如嵌入绷带中的传感器。

“当你的材料对温度和应变都敏感时，很难判断哪些信号是由材料的变化引起的，”程说。 “但是通过利用激光诱导石墨烯中的热电效应，我们基本上可以将这两种测量解耦。我们可以通过观察电阻来获取有关应变的信息，同时还可以测量热电压来确定温度。这就是为什么医生可以使用它来跟踪伤口部位的温度波动和物理变化，并更清楚地了解愈合的进展情况。”

他还指出，该传感器非常灵敏，可检测小至 0.5 摄氏度的温度变化。该材料的设计利用了多孔石墨烯和热电元件的协同工作方式，使其在将热能转化为电能方面的性能提高了近四倍。该传感器还可以拉伸高达 45%，并适应不同的形状和表面，而不会失去功能。

“这种材料的多孔结构创造了许多微小的空间和通道，使其能够以非常敏感的方式与周围环境相互作用，”程说。 “这使得它非常适合与人体软组织连接，与陶瓷基材料等更坚硬的热电材料相比。”

由于 LIG 的热电特性意味着它可以在存在温差时产生电力，因此 LIG 传感器是自供电的。 Cheng 表示，这对于临床环境中的连续监测和其他应用特别有用，例如帮助检测偏远地区的火灾。

除了改进传感器外，该团队还在开发一种无线系统，使人们能够远程监控传感器的数据。这将使使用智能手机或其他设备实时跟踪重要信息成为可能，例如温度或应变。

“例如，医生可以远程监测患者的病情，或者紧急救援人员可以收到有关危险温度变化的警报，”程说。 “这些进步旨在使该技术更易于使用和有效，有助于改善日常情况下的健康监测和安全。”

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