综述：基于石墨烯的电子皮肤和人工智能在生物医学应用中的发展趋势
2023-08-21 07:31:01 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文以石墨烯为例，探讨了电子皮肤的最新进展以及人工智能（AI）在可穿戴技术中的应用，并简要介绍了人工智能和机器学习在医学领域的优势和局限性。
电子皮肤（e-skin）能够模仿人类皮肤，是可穿戴技术不可或缺的一部分，已广泛应用于机器人、医疗保健等领域。设计和制造具有多种功能的电子皮肤是当前研究的重点，它融合了多种结构和独特性能的材料。目前已经报道了对各种机制和材料的一些研究，以使电子皮肤具有柔韧性、可拉伸性和敏感性。在材料层面，石墨烯由于其优异的电子、电气和机械性能，是最适合制作电子皮肤的材料。尽管近年来在这一领域取得了显著的进展，但制造多功能智能电子皮肤仍然是一个挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，印度RV工程学院（RV College of Engineering）、西安电子科技大学（Xidian University）和华盛顿州立大学（Washington State University）的研究人员联合在IEEE Sensors Journal期刊上发表了以“Trends in graphene-based e-skin and artificial intelligence for biomedical applications-A Review”为题的综述文章。文中以石墨烯为例，探讨了电子皮肤的最新进展以及人工智能（AI）在可穿戴技术中的应用，并简要介绍了人工智能和机器学习在医学领域的优势和局限性。
电子皮肤的结构和工作原理图
电子皮肤是一种使用不同材料和结构设计制成的人造皮肤。对于实际应用，电子皮肤必须具有柔性、可拉伸性、多功能性、机械稳定性，并且能够以低成本进行大面积制备。石墨烯基材料最能满足这些要求。在生产石墨烯的不同方法中，基于激光诱导的石墨烯（LIG）由于其多孔性和3D结构，是可穿戴传感器的理想材料。然而，激光诱导方法受到一些问题的挑战，需要潜在的研究关注。
还原氧化石墨烯/聚氨酯导电海绵的机械示意图
配备触觉传感器的电子皮肤在心脏脉搏监测和心电图记录方面已经显示出超越生物皮肤的能力。但电子皮肤的制造具有固有的挑战：
（1）首先，所用的传感器是常规的，响应范围窄。因此，在可穿戴技术研究中，配备高灵敏度传感器的电子皮肤是一个利基市场。
（2）其次，集成不同的压电、电容或摩擦电传感器是实现多功能电子皮肤的必要条件。因此，具有能够适应不同传感机制的通用平台的电子皮肤对于有效模仿人类皮肤是非常理想的。
（3）第三，柔性电子器件是电子皮肤的固有要求，为了充分发挥其潜力，必须使现有的刚性平面电子器件具有柔性。纳米材料的使用是该领域的一个潜在解决方案。
（4）基于电子皮肤的可穿戴设备的寿命取决于化学稳定性和机械耐久性。传感性能的巨大改进和可观的耐用性是当前所需。
（5）为了实现电子皮肤的经济制造，印刷非平面传感器是一条有待探索的潜在途径。
（6）从医学角度来看，可穿戴器件的生物相容性是必要的；然而，这一领域仍然缺乏重要的研究关注。
（7）自供电电子皮肤是一种通过最大限度地减少能源使用来实现可持续发展目标的新策略。电子皮肤的大面积低成本组装需要即刻关注，这与柔性集成电子器件相结合，可以彻底改变医学和医疗保健，增强人机交互。
总的来说，未来的研究应该致力于制造柔性、可拉伸、自供电和自修复的电子皮肤，以将灵敏度与设备寿命相结合。除此之外，未来研究的重点是增强皮肤相容性、抗弯曲性以及基于微型多传感平台的电子皮肤的开发，这将使生物传感成为人们关注的焦点。
石墨烯基电子皮肤的广泛应用
人工智能（AI）正在改变我们对传统治疗方法及其各种操作的看法，从而有助于改善从常规任务到数据管理和药物开发等一切任务。医学领域总是抓住每一个改进和发展的机会，目前正在选择机器学习和人工智能用于其大部分任务，例如诊断、药物开发、临床试验疗效、检测、患者护理以及风险管理等。尽管人工智能正在迅速发展，但它也有一些局限性。其中一个主要的固有限制是数据，特别是“数据偏差”。机器学习模型的训练需要大规模的数据，特别是那些涉及检测和诊断的应用。例如，如果获得的数据只反映某一特定人群，那么它可能不适用于一般人群，从而产生不准确的结果。另一种可能发生数据偏差的情况是，当人工智能模型提供的数据不完整或不充分时，在这种情况下，特定的集群可能无法得到适当的处理。
人工智能在医学中的各种应用举例
开发机器学习模型需要关于一种现象的结构良好的训练数据，这种现象随着时间的推移保持相对稳定。偏离这一点会导致“过度拟合”，即人工智能过度重视过去数据中的虚假相关性。
另一个令人担忧的问题是人工智能取代医生。智能医疗技术的存在主要是为了帮助医生照顾病人，从而改善病人的管理，而不是完全取代他。传统的身体检查仍然需要医生，尤其是在神经病学等领域，这需要高水平的医患互动和批判性思维。尽管最近的研究表明，人工智能和医生提供的解决方案在观点上有所不同，但在当今，替代的可能性并不完全真实。
总体而言，未来的潜力在于制造低成本的大面积智能皮肤。石墨烯由于其结构特征，是一种已被证明可用于制造基于多功能电子皮肤的可穿戴设备的材料，在仿生学领域具有巨大潜力。在人工智能和机器学习的帮助下，电子皮肤可以将现有的医学和医疗保健发展到超出人类能力和范围的程度。
论文信息：DOI 10.1109/JSEN.2023.3294297
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