英國曼徹斯特的原子力學公司開發(fā)了一種基于石墨烯聚合物的微機電系統(tǒng)（MEMs）。這種力敏透明膜顯示了作為電子器件的新設計模型的潛在性能。雖然在原型階段，原子力學正與幾家制造商密切合作，以具有競爭力的價格將該技術轉化為商業(yè)應用，同時與現(xiàn)有技術相比仍具有優(yōu)勢。

傳感器作為監(jiān)測重要器官和診斷病人的媒介，在醫(yī)學和生命科學中發(fā)揮著至關重要的作用。然而，目前由各種傳感方法開發(fā)的傳統(tǒng)傳感器，如側向流免疫分析（Viro Research，2019）、熒光微陣列（Jaksik、Iwanazko、Rzeszowska-Wolny和Kimmel，2015）、電化學方法（Song、Xu、Kuroki、Liao和Tsunoda，2018）和聚合酶鏈反應（PCR）開發(fā)的傳統(tǒng)傳感器已經(jīng)顯示出在實時監(jiān)測反應方面復雜且不敏感。

研究的空白吸引了科學家們開發(fā)出具有超特異傳感特性的新型傳感器，并將其應用于實時定量評估。特別是，對于小型手術機器人系統(tǒng)的巨大需求，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測患者的病情，被視為醫(yī)療系統(tǒng)的下一代突破（Graphene Flagship，2019年）。

這些手術機器人使醫(yī)生和病人在手術中比使用大切口更為有利。盡管成本很高，但預計到2023年，外科機器人的年增長率將達到65億美元，而2018年的年增長率為39億美元。

原子力學在使用石墨烯聚合物的MEMs方面的新發(fā)展，為人們長期深入地研究具有優(yōu)異導電性和導熱性、大比表面積的現(xiàn)代復合材料提供了信心，以及在健康監(jiān)測系統(tǒng)中開發(fā)有前途的傳感器和植入式設備所需的出色的機械靈活性。

石墨烯在傳感器中的作用

自20世紀80年代末引入以來，MEMS的概念探索了在日常應用（Xu，et al.，2019）中使用各種形狀記憶合金（Hino&Maeno，2004）和復合材料（Miriyev，Stack，&Lipson，2017）創(chuàng)建傳感原型的小型化版本的可能性。

特別是自1954年以來，硅基傳感器因其體積小、信噪比高、磁滯低和制造結構的高重復性而備受關注（Xu，et al.，2019）。然而，硅基傳感器具有價格昂貴、產(chǎn)生有毒副產(chǎn)品、傳感表面積小、靈敏度降低、生物相容性有限等問題（Xu，et al.，2019）。

這些問題擴大了科學家們利用石墨烯的神奇特性來取代硅的機會。石墨烯的大表面積、高導電性和獨特的電性能使其成為傳感器的理想候選材料。因此，已有大量基于石墨烯的傳感器被報道，包括可穿戴或可植入的傳感器，可實時測量人體活動，如溫度、心率、脈搏氧合、呼吸頻率、血壓、血糖和心電圖信號（Choi等人，2020年）。石墨烯的高光學透明度的驚人特性意味著可以在不受視覺干擾的情況下精確觀察生物組織（Huang，et al.，2019）。

由于其高比表面積，石墨烯層使整個碳原子直接與目標分子接觸，這使其比硅具有更高的靈敏度優(yōu)勢。

機器人傳感器

機器人傳感器的性能取決于其對目標分子或細胞的檢測功耗和靈敏度。石墨烯基材料被認為是生物傳感器，它將受體和目標分子之間的相互作用轉化為可檢測、可測量的信號。

Robert Roelver先生代表世界上最大的微電子機械傳感器供應商Robert Bosch company在2015年石墨烯周上展示了他們基于霍爾效應的新型石墨烯傳感器，在Roelver先生演講時銷售額達到10億歐元（Sedgemore，2016年）。

這項工作與馬克斯普朗克固態(tài)研究所的科學家合作，由一種石墨烯基磁性傳感器組成，其靈敏度是硅的100倍。

Roelver先生稱贊羅伯特·博世在他們的壓力、磁性、濕度、氣體和聲壓設備中也采用了石墨烯，他們新開發(fā)的磁性設備顯示出每安培7000伏特/安培特斯拉的高靈敏度（Sedgemore，2016），而硅基霍爾傳感器的靈敏度為70伏/安培特斯拉。

下一代手術機器人

目前有70多家公司正在開發(fā)各種應用中的機器人輔助手術平臺（Shah、Felinski、Wilson、Bajwa和Wilson，2020年）。2018年，全世界實施了超過100萬個機器人輔助手術（Shah、Felinski、Wilson、Bajwa和Wilson，2020），證實了它們在醫(yī)療領域的廣泛改進和可接受性。

對20例患者進行75枚椎弓根螺釘?shù)氖中g植入實現(xiàn)了98.7%的準確性，沒有并發(fā)癥（Khan、Meyers、Siasios和Pollina，2019年）。另一個引人入勝的演示來自中國北京微電子研究所和北京國家信息科學技術研究中心（BNRist），他們揭示了石墨烯作為傳感器檢測機械、電生理、流體（葡萄糖、小分子有機物）的能力，大分子有機物）和氣體（濕度、NO2、NH3、丙酮）信號。

另一個研究小組（Yang，et al.，2018）提出了一種貼身可穿戴的基于石墨烯的織物傳感器，可在衣服上編織，以檢測細微和巨大的人體運動。該傳感器表現(xiàn)出令人難以置信的性能，包括高靈敏度、長期穩(wěn)定性和極大的舒適性。

機器人手術將繼續(xù)是醫(yī)學和生命科學領域中最受歡迎和發(fā)展最快的領域之一。然而，下一代手術機器人在生物相容性、穩(wěn)定性、舒適性、小型化、成本效益和可靠性等方面需要進一步考慮。

原子力學目前的突破，為人類與機器人技術的對接開辟了一條新的途徑，提高了該裝置對病人早期診斷的靈敏度，提高了生存率，降低了成本，提高了生活質(zhì)量。手術機器人的這些技術創(chuàng)新可能在不久的將來為外科應用做出貢獻。
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