握力可以指征肌肉力量，也是與衰老、疾病、營養、訓練或康復程度相關的健康狀況的重要指標。因此，以簡單、快速、經濟且無痛的方式實現個性化握力檢測，是長期有效地監測人類健康的迫切需求，這對降低心血管發病率甚至降低死亡風險來說尤為重要。

然而，由于不同人群（如嬰兒和康復患者）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、經濟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。

據麥姆斯咨詢報道，近日，西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室張兄文教授與西安交通大學生物醫學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）技術制備的智能球形傳感器示意圖，可用于個性化的長期監測小握力。

這項研究主要受到3D球形底座結構合理設計的啟發，結合了激光還原和剪紙技術，開發出一種利用石墨烯激光剪紙技術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行信號處理。可通過手機無線連接獲取連續讀出數據，實現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院和家庭握力檢測進行了對比，并評估了其在個性化長期握力監測方面的潛力。

通過激光還原技術制備基于石墨烯的應變傳感單元。

螺旋傳感單元是智能球形傳感器的關鍵，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梯田結構上。該傳感單元完美地附著在球表面，與3D應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、光學性能優良、電導率高等優勢。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，可用于監測嬰兒或康復患者的微小握力等微弱信號。其傳感機制是可以對抓握智能球所引起的機械變形做出響應，從而導致電阻變化。

綜上所述，這項研究提出了一種利用石墨烯激光剪紙技術制備的智能球形傳感器，可用于個性化的長期握力監測。而這款智能球形傳感器的設計靈感來自于雞蛋的結構組成，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，實現了全集成設計。這是一種經濟、便攜且小型化的握力裝置，能夠以無線傳輸方式長期監測握力，并通過手機讀出數據，實現個性化的健康管理。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準方法進行了驗證，以評估其在個性化長期握力監測方面的潛力。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務費專項資金項目（xzy022019014）和國家重點研發計劃（2018YFC1707700）的支持。

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

審核編輯 ：李倩