握力可以指征肌肉力量，也是與衰老、疾病、營養(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，以簡單、快速、經(jīng)濟(jì)且無痛的方式實現(xiàn)個性化握力檢測，是長期有效地監(jiān)測人類健康的迫切需求，這對降低心血管發(fā)病率甚至降低死亡風(fēng)險來說尤為重要。

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，因而需要一種個性化的傳感器來監(jiān)測握力。但是，即使是小尺寸、高靈敏度的握力檢測儀，仍有未滿足的需求，即能適于特定人群的有效、經(jīng)濟(jì)且便攜的握力檢測儀，例如對嬰兒來說握力檢測儀足夠小，對于握力小的人群來說握力檢測儀足夠靈敏。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗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實驗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，可用于個性化的長期監(jiān)測小握力。

這項研究主要受到3D球形底座結(jié)構(gòu)合理設(shè)計的啟發(fā)，結(jié)合了激光還原和剪紙技術(shù)，開發(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。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。柔軟的彈性球體專為滿足用戶的舒適度和便利性而設(shè)計，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)行信號處理。可通過手機(jī)無線連接獲取連續(xù)讀出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)日常生活中的個性化健康管理。該傳感器通過有限元分析（FEA）計算手與球之間的接觸面積對握力的影響，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中的身體驗證測試與醫(yī)院和家庭握力檢測進(jìn)行了對比，并評估了其在個性化長期握力監(jiān)測方面的潛力。

通過激光還原技術(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。這些獨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)測嬰兒或康復(fù)患者的微小握力等微弱信號。其傳感機(jī)制是可以對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，可用于個性化的長期握力監(jiān)測。而這款智能球形傳感器的設(shè)計靈感來自于雞蛋的結(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，實現(xiàn)了全集成設(shè)計。這是一種經(jīng)濟(jì)、便攜且小型化的握力裝置，能夠以無線傳輸方式長期監(jiān)測握力，并通過手機(jī)讀出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)個性化的健康管理。更重要的是，這項研究首次考慮到手球接觸面積對握力的影響。最后，對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)行了驗證，以評估其在個性化長期握力監(jiān)測方面的潛力。智能球形傳感器價格便宜、攜帶方便、可用于個性化的握力監(jiān)測，尤其適用于嬰兒和小握力人群等特定人群。

這項研究工作獲得了中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（xzy022019014）和國家重點研發(fā)計劃（2018YFC1707700）的支持。

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

審核編輯 ：李倩