“三明治”柔性石墨烯气凝胶复合结构可监测骨骼肌的高频、微小运动 | NSR

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研究者利用超轻石墨烯气凝胶与硅橡胶界面间的高效应变传输机制，制备出高延展、超灵敏的石墨烯气凝胶柔性传感器，首次实现了对骨骼肌本征高频微小机械运动的实时精确监测，为肌动图检测的即时、柔性、可穿戴需求提供了新的技术途径。

上述成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），澳大利亚墨尔本大学李丹教授及清华深圳国际研究生院丘陵副教授为共同通讯作者，何子君博士为第一作者。合作作者包括墨尔本大学的刘哲副教授和王康岩硕士；澳洲蒙纳士大学的George P. Simon教授和齐正博士；墨尔本St. Vincent's Hospital的Leslie Roberts教授和Mark J. Cook教授；西安交通大学的刘益伦教授和刘惠超博士；香港理工大学的Stephen J. Wang 教授。

目前，医疗机构主要使用大型的精密肌电图或肌动图设备，来检测骨骼肌的功能，而它们无法满足人们对便携、即时、精准、低成本、高舒适度健康检测的需求。骨骼肌的本征运动幅度微小而快速，现有的聚合物基柔性传感器件难以实现即时、准确的检测。因此，开发新型柔性、可穿戴骨骼肌生理健康监测设备尤为重要与迫切。

在这项研究中，研究者发现当超低密度的石墨烯气凝胶（<1 mg/cm³，相当于空气的密度）与硅橡胶接触并拉伸时，二者之间不易滑移。石墨烯气凝胶与硅橡胶同步延展，获得其本身没有的极佳拉伸性。与此同时，石墨烯气凝胶可以有效实现应力应变传输，实现对拉伸运动的检测。基于此发现，该团队将超低密度石墨烯气凝胶夹在硅橡胶间，设计了一种超柔软、高延展（> 100%拉伸形变）的“三明治”复合结构。

示意图：超轻石墨烯气凝胶基复合物的合成

实验发现，该“三明治”复合结构极大地提升了石墨烯气凝胶的可拉伸性，还同时保留了石墨烯气凝胶的高频力电响应性质，从而首次实现了柔性导电复合物材料在高频、实时微动力电检测（>180 Hz）方面的突破，其性能优于传统柔性传感器。另外，这一高效界面应力应变转移机制的发现，为超轻气凝胶本征的结构易碎难题提供了一个通用的解决方案，为这类新型极限软材料的实际应用扫除了一个关键障碍。

超轻石墨烯气凝胶基复合物快速宽频力电响应能力优于传统柔性传感器

利用石墨烯气凝胶基复合物的宽频/超低应变力电响应能力，该团队首次将柔性应变传感器用于检测微小、快速的肌肉纤维运动，并发现石墨烯气凝胶基复合物器件与传统肌电测试结果高度一致。

例如，电刺激产生的人体肱二头肌收缩时，该器件在不同电刺激频率和强度下，都显示出高灵敏性和准确性；人体自主肱二头肌收缩时，该器件的信号与肌电图测试信号高度匹配。该器件还可用于检测帕金森等疾病造成的肌肉失调症状。

（a）用石墨烯气凝胶基复合物传感器与肌电图技术同时检测肱二头肌收缩。（b, c）不同电刺激频率、强度下，该传感器检测到的肱二头肌收缩。（d）该传感器可以高度线性地感应肌肉的机械运动强度。 

用石墨烯气凝胶基复合物传感器检测类似帕金森疾病的较高频（a）手臂与（b）大拇指不可控颤动、振摇。

总之，石墨烯气凝胶基复合物为骨骼肌的实时健康检测及相关疾病的诊断和预警提供了新的检测技术手段，为未来的人机界面技术提供了新的柔性材料体系及系统设计概念。

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