握力可以指征肌肉力量，也是與衰老、疾病、營(yíng)養(yǎng)、訓(xùn)練或康復(fù)程度相關(guān)的健康狀況的重要指標(biāo)。因此，以簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)且無(wú)痛的方式實(shí)現(xiàn)個(gè)性化握力檢測(cè)，是長(zhǎng)期有效地監(jiān)測(cè)人類(lèi)健康的迫切需求，這對(duì)降低心血管發(fā)病率甚至降低死亡風(fēng)險(xiǎn)來(lái)說(shuō)尤為重要。

然而，由于不同人群（如嬰兒和康復(fù)患者）的手大小不同，握力水平也差別很大，因而需要一種個(gè)性化的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)握力。但是，即使是小尺寸、高靈敏度的握力檢測(cè)儀，仍有未滿足的需求，即能適于特定人群的有效、經(jīng)濟(jì)且便攜的握力檢測(cè)儀，例如對(duì)嬰兒來(lái)說(shuō)握力檢測(cè)儀足夠小，對(duì)于握力小的人群來(lái)說(shuō)握力檢測(cè)儀足夠靈敏。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張兄文教授與西安交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐峰教授課題組共同合作在Nature旗下合作期刊npj Flexible Electronics上發(fā)表了以“A smart ball sensor fabricated by laser kirigami of graphene for personalized long-term grip strength monitoring”為主題的研究。

利用石墨烯激光剪紙（kirigami）技術(shù)制備的智能球形傳感器示意圖，可用于個(gè)性化的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)小握力。

這項(xiàng)研究主要受到3D球形底座結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)的啟發(fā)，結(jié)合了激光還原和剪紙技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種利用石墨烯激光剪紙技術(shù)制備的智能球形傳感器，具有小尺寸和高靈敏度特性，可用于小握力監(jiān)測(cè)。智能球形傳感器由四部分組成：彈性球形底座、兩顆石墨烯螺旋傳感器、填充了所有電子配件的透明球殼以及密封層。柔軟的彈性球體專(zhuān)為滿足用戶的舒適度和便利性而設(shè)計(jì)，其3D接觸面可使3D螺旋傳感器落于球形底座。所有電子配件均置于球中心進(jìn)行信號(hào)處理。可通過(guò)手機(jī)無(wú)線連接獲取連續(xù)讀出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)日常生活中的個(gè)性化健康管理。該傳感器通過(guò)有限元分析（FEA）計(jì)算手與球之間的接觸面積對(duì)握力的影響，并將其用于修正握力方程。最終，該研究將成人和兒童握力檢測(cè)中的身體驗(yàn)證測(cè)試與醫(yī)院和家庭握力檢測(cè)進(jìn)行了對(duì)比，并評(píng)估了其在個(gè)性化長(zhǎng)期握力監(jiān)測(cè)方面的潛力。

通過(guò)激光還原技術(shù)制備基于石墨烯的應(yīng)變傳感單元。

螺旋傳感單元是智能球形傳感器的關(guān)鍵，它是通過(guò)在聚酰亞胺薄膜上直接激光刻制石墨烯基壓阻材料，并落于柔軟的彈性球形底座的3D梯田結(jié)構(gòu)上。該傳感單元完美地附著在球表面，與3D應(yīng)變傳感單元集成為一體。石墨烯傳感材料具有電子遷移率快、比表面積大、電流載流強(qiáng)、光學(xué)性能優(yōu)良、電導(dǎo)率高等優(yōu)勢(shì)。這些獨(dú)特特性使石墨烯成為高性能壓阻傳感單元的合適的選擇，可用于監(jiān)測(cè)嬰兒或康復(fù)患者的微小握力等微弱信號(hào)。其傳感機(jī)制是可以對(duì)抓握智能球所引起的機(jī)械變形做出響應(yīng)，從而導(dǎo)致電阻變化。

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種利用石墨烯激光剪紙技術(shù)制備的智能球形傳感器，可用于個(gè)性化的長(zhǎng)期握力監(jiān)測(cè)。而這款智能球形傳感器的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于雞蛋的結(jié)構(gòu)組成，它采用將所有電子配件都嵌入球中心的透明球殼，兩顆基于石墨烯的螺旋傳感單元落于柔軟的彈性球形底座上，實(shí)現(xiàn)了全集成設(shè)計(jì)。這是一種經(jīng)濟(jì)、便攜且小型化的握力裝置，能夠以無(wú)線傳輸方式長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)握力，并通過(guò)手機(jī)讀出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的健康管理。更重要的是，這項(xiàng)研究首次考慮到手球接觸面積對(duì)握力的影響。最后，對(duì)患病和健康受試者的智能球形傳感器與金標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，以評(píng)估其在個(gè)性化長(zhǎng)期握力監(jiān)測(cè)方面的潛力。智能球形傳感器價(jià)格便宜、攜帶方便、可用于個(gè)性化的握力監(jiān)測(cè)，尤其適用于嬰兒和小握力人群等特定人群。

這項(xiàng)研究工作獲得了中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（xzy022019014）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFC1707700）的支持。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41528-022-00156-w。

審核編輯 ：李倩