新型自供电石墨烯智能传感器利用激光诱导石墨烯（LIG）技术，实现对温度和应变的同步且独立监测，可用于监测伤口愈合情况。
用于医疗保健监测领域的自供电可穿戴传感器面临的一个重大挑战是：如何区分同时出现的不同信号？据麦姆斯咨询报道，近期，美国宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University，Penn State）和河北工业大学的研究人员，通过发现一种传感器材料——激光诱导石墨烯（LIG）材料的新特性，成功应对了这一挑战。基于此，该团队研发出一款新型柔性传感器——自供电石墨烯智能传感器。该智能传感器能够同时精准地监测温度和物理应变，并将这两种信号分开处理，进而更准确地识别各种信号。
多孔激光诱导石墨烯纳米复合材料的总体设计及应用
相关研究成果以“Thermoelectric porous laser-induced graphene-based strain-temperature decoupling and self-powered sensing”为题，发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上，该论文的共同通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系副教授Huanyu Larry Cheng表示：“我们研发的这种独特的激光诱导石墨烯材料，在医疗保健监测领域具有潜在的重要应用价值。自供电石墨烯智能传感器通过精准监测伤口愈合过程中的温度变化以及产生的物理变形或应变情况（这两种信号分开处理），有望彻底革新伤口愈合的监测方式。使医生能够更清晰地了解伤口愈合过程，尽早发现炎症等问题。”
自供电石墨烯智能传感器在小鼠伤口愈合过程中解耦温度和应变的监测应用
基于热电纳米复合材料的智能火灾报警系统
研究人员旨在利用激光诱导石墨烯这种二维材料，准确监测温度和应变信号，同时避免这两种信号的串扰。与包括普通石墨烯在内的所有二维材料一样，激光诱导石墨烯材料仅有一到几个原子的厚度，具有独特的性质。当激光以特定方式加热某些富含碳的材料（例如塑料或木材）时，该材料表面会转化为石墨烯结构，从而形成激光诱导石墨烯。这种方式如同激光直接在材料上 “书写” 石墨烯，这为生产用于电子器件、传感器和能源器件的石墨烯图案提供了一种简便且可规模化的方法。
此前，激光诱导石墨烯技术已在众多领域有所使用。Huanyu Larry Cheng及其团队就曾将其用于气体传感器、分析汗液的电化学传感器、超级电容器等。然而，研究人员表示，他们首次发现了激光诱导石墨烯材料的一种新特性，使其成为构建多功能智能传感器的理想材料。
Huanyu Larry Cheng表示：“在这项研究工作中，我们偶然发现激光诱导石墨烯材料还具有热电特性，我们认为这是首次有研究报道激光诱导石墨烯材料具备热电特性。这对我们当前的研究意义重大，即可分别监测温度变化和物理应变或变形。”
材料的热电特性是指将温度差转化为电压，反之亦然的能力，这使得这类材料可用于能量收集和温度传感等应用。Huanyu Larry Cheng表示，新发现的激光诱导石墨烯材料的热电特性，使其易于区分两种物理量监测结果，非常适合用于诸如嵌入绷带的传感器等医疗保健监测领域。
Huanyu Larry Cheng表示：“当材料对温度和应变都很敏感时，很难分辨是哪种信号导致了材料的变化，但通过利用激光诱导石墨烯材料的这种热电效应，我们基本上可以将温度和应变监测结果进行解耦。我们可以通过监测电阻获取应变信息，同时通过监测热电压来确定温度。这就是医生可以用它来跟踪伤口部位的温度波动和物理应变，更清晰地了解伤口愈合进展的原因。”
基于多孔石墨烯泡沫的可拉伸热电传感器对同时施加的温度梯度和应变进行解耦传感
温度和应变解耦传感
Huanyu Larry Cheng还指出，自供电石墨烯智能传感器灵敏度极高，能够检测到低至0.5摄氏度的温度变化。这种材料的设计，充分利用了多孔石墨烯和热电元件协同工作的优势，使其将热能转化为电能的能力提升了近4倍。自供电石墨烯智能传感器还能拉伸至原长度的145%，并贴合不同形状和表面，同时不丧失功能。
Huanyu Larry Cheng继续说：“该材料的多孔结构形成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，这使得它与人体软组织的贴合性良好，与陶瓷基等更坚硬的热电材料形成鲜明对比。”
由于激光诱导石墨烯材料的热电特性意味着存在温度差时它可以产生电能，因此激光诱导石墨烯传感器是可以自供电的。Huanyu Larry Cheng表示，这对于临床环境中的持续监测以及其它应用（例如帮助监测偏远地区的火灾）可能尤其有用。
除了优化传感器本身，该团队还在研发一种无线系统，使人们能够远程获得传感器的数据。这将使人们通过智能手机或其它设备，实时跟踪温度或应变等重要信息成为可能。
Huanyu Larry Cheng最后说道：“例如，医生可以远程监测患者的状况，或者应急救援人员可以收到有关危险温度变化的警报，这些进展旨在使该传感技术更易于获取且更高效，助力改善日常健康监测和安全保障。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-55790-x
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