国内外华人科学家开发超柔石墨烯复合材料，首次实现高频肌肉收缩运动可穿戴检测突破

骨骼肌是人体重要的运动器官，它通过接收大脑神经元传递而来的电信号，触发实时、准确的肌纤维收缩以驱动关节与骨骼的运动。大到人体的快速奔跑，小到握笔写字等各种运动都离不开骨骼肌的收缩。

实时监测、掌握并评估骨骼肌的健康状态与功能性在运动健康与人机交互等领域都具有重大应用前景。由于骨骼肌具有频率高、收缩幅度小等特性，目前对其功能的监测主要依赖大型精密肌电测试技术。

近日，墨尔本大学李丹教授课题组与清华深圳国际研究生院丘陵副教授课题组合作研发了一种复合材料，采用夹层工艺将超软、超灵敏的石墨烯基多孔材料（UGCM）与硅橡胶（PDMS）进行复合，首次实现了柔性导电复合物材料的超高的力电响应敏感性以及高于180 Hz的高频微动力电响应能力。文章发表于2021年10月5日的National ScienceReview上。

本文通讯作者之一李丹教授告诉果壳：“当使用低于空气密度（<1.0 mg/cm³）的UGCM时，复合界面处产生的高效应力及应变传递效应，使本征不可拉伸的UGCM可以获得优秀的延展性和循环应变耐久性。”该团队利用该复合物柔性器件首次实现了高频肌肉收缩运动（5–40 Hz）可穿戴监测方面的突破，未来或可应用于帕金森等疾病造成的肌肉失调症状的检测等领域。

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 | 参考文献[1]

材料制备与性能

受到生物学中多孔材料与软组织结合方式的启发，研究者们采用直接夹层法制备了复合材料。经PDMS夹层复合后，易碎的UGCM在发生形变时可在复合界面上产生高效、均匀的应力应变传递，驱使UGCM与硅橡胶的同步延展，有效地缓解了由局部应力集中而导致的结构失效。复合材料在弯曲、扭转与拉伸作用下，均能保持良好的柔韧性。丘陵副教授指出，这一突破为超轻气凝胶结构易碎的难题提供了一种新的解决方案。

示意图：超轻石墨烯气凝胶基复合物的合成 | 参考文献[1]

研究者发现，夹层复合物结构不但可以提高UGCM的拉伸性，还让UGCM保持独立力电行为，不受PDMS的粘弹性干扰。材料形变时，石墨烯网络在微观尺度上会发生均匀断裂，而回弹时裂纹也能回到原来状态重新连接，从而使得电阻复原，在材料的循环拉伸中表现出电阻升降。

与传统将UGCM填充在聚合物基体里以实现复合物材料的较大拉伸形变性与力电响应性不同的是，夹层复合物结构使UGCM与PDMS只在复合界面接触，极大地减小了由聚合物大分子运动的滞后性带来的对UGCM力电性能的干扰。

在对此复合材料的拉伸力电性能进行测试时发现，从极微小形变到100%拉伸，此材料均呈现线性变化的电学响应趋势，并且在高达180 Hz的应变频率下表现出极高的力电响应敏感性及极低的信号延迟性，展现出优异的应用潜力。

在骨骼肌收缩传感上的表现

基于复合材料器件优异的传感器性能和与人体皮肤相近的力学性能，该团队将材料加工成皮肤贴装应变传感器，并进行了人体活动传感测试。在监测频率在5 Hz以下，类似手部、前臂等较慢速的身体活动中，此复合材料表现出了灵敏的监测性能，与现有的应变传感器相比毫不逊色。

（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不同电刺激强度触发的肌肉收缩 | 参考文献[1]

对于运动幅度更细微、频率更高的骨骼肌收缩监测方面，此柔性复合传感器展现出不俗的响应性。经不同条件刺激产生的肱二头肌及其他肌肉纤维的收缩测试，该团队证实了这种应变传感器能够实时监测骨骼肌的微小、快速运动，并且其测试精度与大型精密肌电技术的测试结果具有高度的一致性，甚至可以检测到单独骨骼肌纤维的机械收缩与松弛信号，且信号保持着1-7毫秒内的极低延迟，即使是活跃的肌纤维产生的高达40 Hz的机械收缩也能被准确地监测到。

传感器应用前景

相比于能收集触发骨骼肌收缩电信号的肌电图技术（EMG），由肌动图（MMG）收集的骨骼肌机械信号更为复杂、多样，也能反映更多维度的健康信息，例如可以提供有关肌肉机械运动功能性、收缩强度以及运动、感觉神经肌肉接口功能障碍及功能康复等信息。正因其复杂性，MMG设备的开发也更为困难。现有的MMG系统均为刚性系统，十分笨重，且具有高达37毫秒的电肌延迟时间，影响信号收集即时性与准确性。

“该复合材料设计的传感器能够填补当前柔性MMG传感器的设计与应用空白，以更低的延迟、更舒适的佩戴性、更高的灵敏性，实现对肌肉运动的全面信号收集、传输与分析。”论文第一作者何子君告诉果壳，“我们认为，这项成果具有很好的产业化和商业化前景。”

超轻石墨烯气凝胶基复合物快速宽频力电响应能力在快速、微小肌肉运动检测方面优于传统柔性传感器 | 参考文献[1]

同时，该传感器突破了传统可穿戴传感器的检测极限，拓宽了应用范围。若进一步将其与EMG等技术结合使用，或可实现从神经学、肌肉运动学等不同角度的对肌肉收缩机制、肌肉神经接口疾病、肌肉功能障碍等方面新研究的开展，为未来的运动健康监测、人机界面技术提供了新的柔性材料体系及系统设计概念。

致谢

感谢墨尔本大学李丹教授课题组与清华深圳国际研究生院丘陵副教授课题组对本文的审阅和建议。

参考文献

[1] He, Z.; Qi, Z.; Liu, H.; Wang, K.; Roberts, L.; Liu, J. Z.; Liu, Y.; Wang, S. J.; Cook, M. J.; Simon, G. P.; Qiu, L.; Li, D. Detecting Subtle yet Fast Skeletal Muscle Contractions with Ultrasoft and Durable Graphene-Based Cellular Materials. Natl. Sci. Rev. 2021, nwab184. https://doi.org/10.1093/nsr/nwab184.

作者：张欣睿

编辑：靳小明

排版：尹宁流

研究团队

通讯作者  李丹，澳大利亚墨尔本大学材料科学与工程教授，澳大利亚“桂冠学者”，蒙纳士大学二维材料中心共同主任（2012-2017），课题组主要从事基于石墨烯的软材料及其在纳米离子学、生物医药、能源存储及转换以及资源利用等领域的应用研究。

通讯作者  丘陵，清华深圳国际研究生院副教授，本科及博士毕业于蒙纳士大学，2017年加入清华大学深圳国际研究生院，目前的研究兴趣集中在基于二维材料的剥离与组装，并探索其在结构材料，导热材料和水伏能源等领域的应用。

第一作者 何子君，钢铁研究总院有限公司功能材料研究院工程师，本科及博士毕业于蒙纳士大学，2021年10月加入钢铁研究总院有限公司功能材料研究院，目前主要从事石墨烯材料及其衍生材料在柔性传感器件、制造业等领域的开发与研究。

论文信息

发布期刊《国家科学评论》 National Science Review

发布时间  2021年10月5日

文章标题

Detecting subtle yet fast skeletal muscle contractions with ultrasoft and durable graphene-based cellular materials

（DOI：10.1093/nsr/nwab184）