一种利用石墨烯激光剪纸技术制备的智能球形传感器

握力可以指征肌肉力量，也是与衰老、疾病、营养、训练或康复程度相关的健康状况的重要指标。因此，以简单、快速、经济且无痛的方式实现个性化握力检测，是长期有效地监测人类健康的迫切需求，这对降低心血管发病率甚至降低死亡风险来说尤为重要。

然而，由于不同人群（如婴儿和康复患者）的手大小不同，握力水平也差别很大，因而需要一种个性化的传感器来监测握力。但是，即使是小尺寸、高灵敏度的握力检测仪，仍有未满足的需求，即能适于特定人群的有效、经济且便携的握力检测仪，例如对婴儿来说握力检测仪足够小，对于握力小的人群来说握力检测仪足够灵敏。

据麦姆斯咨询报道，近日，西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室张兄文教授与西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室徐峰教授课题组共同合作在Nature旗下合作期刊npj Flexible Electronics上发表了以“A smart ball sensor fabricated by laser kirigami of graphene for personalized long-term grip strength monitoring”为主题的研究。
 

利用石墨烯激光剪纸（kirigami）技术制备的智能球形传感器示意图，可用于个性化的长期监测小握力。

这项研究主要受到3D球形底座结构合理设计的启发，结合了激光还原和剪纸技术，开发出一种利用石墨烯激光剪纸技术制备的智能球形传感器，具有小尺寸和高灵敏度特性，可用于小握力监测。智能球形传感器由四部分组成：弹性球形底座、两颗石墨烯螺旋传感器、填充了所有电子配件的透明球壳以及密封层。柔软的弹性球体专为满足用户的舒适度和便利性而设计，其3D接触面可使3D螺旋传感器落于球形底座。所有电子配件均置于球中心进行信号处理。可通过手机无线连接获取连续读出数据，实现日常生活中的个性化健康管理。该传感器通过有限元分析（FEA）计算手与球之间的接触面积对握力的影响，并将其用于修正握力方程。最终，该研究将成人和儿童握力检测中的身体验证测试与医院和家庭握力检测进行了对比，并评估了其在个性化长期握力监测方面的潜力。

通过激光还原技术制备基于石墨烯的应变传感单元。

螺旋传感单元是智能球形传感器的关键，它是通过在聚酰亚胺薄膜上直接激光刻制石墨烯基压阻材料，并落于柔软的弹性球形底座的3D梯田结构上。该传感单元完美地附着在球表面，与3D应变传感单元集成为一体。石墨烯传感材料具有电子迁移率快、比表面积大、电流载流强、光学性能优良、电导率高等优势。这些独特特性使石墨烯成为高性能压阻传感单元的合适的选择，可用于监测婴儿或康复患者的微小握力等微弱信号。其传感机制是可以对抓握智能球所引起的机械变形做出响应，从而导致电阻变化。

综上所述，这项研究提出了一种利用石墨烯激光剪纸技术制备的智能球形传感器，可用于个性化的长期握力监测。而这款智能球形传感器的设计灵感来自于鸡蛋的结构组成，它采用将所有电子配件都嵌入球中心的透明球壳，两颗基于石墨烯的螺旋传感单元落于柔软的弹性球形底座上，实现了全集成设计。这是一种经济、便携且小型化的握力装置，能够以无线传输方式长期监测握力，并通过手机读出数据，实现个性化的健康管理。更重要的是，这项研究首次考虑到手球接触面积对握力的影响。最后，对患病和健康受试者的智能球形传感器与金标准方法进行了验证，以评估其在个性化长期握力监测方面的潜力。智能球形传感器价格便宜、携带方便、可用于个性化的握力监测，尤其适用于婴儿和小握力人群等特定人群。

这项研究工作获得了中央高校基本科研业务费专项资金项目（xzy022019014）和国家重点研发计划（2018YFC1707700）的支持。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41528-022-00156-w。
 

审核编辑 ：李倩