解析石墨烯在传感器中的作用

英国曼彻斯特的原子力学公司开发了一种基于石墨烯聚合物的微机电系统（MEMs）。这种力敏透明膜显示了作为电子器件的新设计模型的潜在性能。虽然在原型阶段，原子力学正与几家制造商密切合作，以具有竞争力的价格将该技术转化为商业应用，同时与现有技术相比仍具有优势。

传感器作为监测重要器官和诊断病人的媒介，在医学和生命科学中发挥着至关重要的作用。然而，目前由各种传感方法开发的传统传感器，如侧向流免疫分析（Viro Research，2019）、荧光微阵列（Jaksik、Iwanazko、Rzeszowska-Wolny和Kimmel，2015）、电化学方法（Song、Xu、Kuroki、Liao和Tsunoda，2018）和聚合酶链反应（PCR）开发的传统传感器已经显示出在实时监测反应方面复杂且不敏感。

研究的空白吸引了科学家们开发出具有超特异传感特性的新型传感器，并将其应用于实时定量评估。特别是，对于小型手术机器人系统的巨大需求，该系统能够实时监测患者的病情，被视为医疗系统的下一代突破（Graphene Flagship，2019年）。

这些手术机器人使医生和病人在手术中比使用大切口更为有利。尽管成本很高，但预计到2023年，外科机器人的年增长率将达到65亿美元，而2018年的年增长率为39亿美元。

原子力学在使用石墨烯聚合物的MEMs方面的新发展，为人们长期深入地研究具有优异导电性和导热性、大比表面积的现代复合材料提供了信心，以及在健康监测系统中开发有前途的传感器和植入式设备所需的出色的机械灵活性。

石墨烯在传感器中的作用

自20世纪80年代末引入以来，MEMS的概念探索了在日常应用（Xu，et al.，2019）中使用各种形状记忆合金（Hino&Maeno，2004）和复合材料（Miriyev，Stack，&Lipson，2017）创建传感原型的小型化版本的可能性。

特别是自1954年以来，硅基传感器因其体积小、信噪比高、磁滞低和制造结构的高重复性而备受关注（Xu，et al.，2019）。然而，硅基传感器具有价格昂贵、产生有毒副产品、传感表面积小、灵敏度降低、生物相容性有限等问题（Xu，et al.，2019）。

这些问题扩大了科学家们利用石墨烯的神奇特性来取代硅的机会。石墨烯的大表面积、高导电性和独特的电性能使其成为传感器的理想候选材料。因此，已有大量基于石墨烯的传感器被报道，包括可穿戴或可植入的传感器，可实时测量人体活动，如温度、心率、脉搏氧合、呼吸频率、血压、血糖和心电图信号（Choi等人，2020年）。石墨烯的高光学透明度的惊人特性意味着可以在不受视觉干扰的情况下精确观察生物组织（Huang，et al.，2019）。

由于其高比表面积，石墨烯层使整个碳原子直接与目标分子接触，这使其比硅具有更高的灵敏度优势。

机器人传感器

机器人传感器的性能取决于其对目标分子或细胞的检测功耗和灵敏度。石墨烯基材料被认为是生物传感器，它将受体和目标分子之间的相互作用转化为可检测、可测量的信号。

Robert Roelver先生代表世界上最大的微电子机械传感器供应商Robert Bosch company在2015年石墨烯周上展示了他们基于霍尔效应的新型石墨烯传感器，在Roelver先生演讲时销售额达到10亿欧元（Sedgemore，2016年）。

这项工作与马克斯普朗克固态研究所的科学家合作，由一种石墨烯基磁性传感器组成，其灵敏度是硅的100倍。

Roelver先生称赞罗伯特·博世在他们的压力、磁性、湿度、气体和声压设备中也采用了石墨烯，他们新开发的磁性设备显示出每安培7000伏特/安培特斯拉的高灵敏度（Sedgemore，2016），而硅基霍尔传感器的灵敏度为70伏/安培特斯拉。

下一代手术机器人

目前有70多家公司正在开发各种应用中的机器人辅助手术平台（Shah、Felinski、Wilson、Bajwa和Wilson，2020年）。2018年，全世界实施了超过100万个机器人辅助手术（Shah、Felinski、Wilson、Bajwa和Wilson，2020），证实了它们在医疗领域的广泛改进和可接受性。

对20例患者进行75枚椎弓根螺钉的手术植入实现了98.7%的准确性，没有并发症（Khan、Meyers、Siasios和Pollina，2019年）。另一个引人入胜的演示来自中国北京微电子研究所和北京国家信息科学技术研究中心（BNRist），他们揭示了石墨烯作为传感器检测机械、电生理、流体（葡萄糖、小分子有机物）的能力，大分子有机物）和气体（湿度、NO2、NH3、丙酮）信号。

另一个研究小组（Yang，et al.，2018）提出了一种贴身可穿戴的基于石墨烯的织物传感器，可在衣服上编织，以检测细微和巨大的人体运动。该传感器表现出令人难以置信的性能，包括高灵敏度、长期稳定性和极大的舒适性。

机器人手术将继续是医学和生命科学领域中最受欢迎和发展最快的领域之一。然而，下一代手术机器人在生物相容性、稳定性、舒适性、小型化、成本效益和可靠性等方面需要进一步考虑。

原子力学目前的突破，为人类与机器人技术的对接开辟了一条新的途径，提高了该装置对病人早期诊断的灵敏度，提高了生存率，降低了成本，提高了生活质量。手术机器人的这些技术创新可能在不久的将来为外科应用做出贡献。
责任编辑：tzh

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