石墨烯远红外光发热膜快速消除肱二头肌疲劳

研究背景

现代社会中，每个人都被快节奏推动着，从孩童到中老年人，似乎人人都承受着来自学业、事业、家庭等多方面的压力，疲劳对健康的危害也愈加明显。如办公久坐族长期身体疲劳、代谢紊乱，导致亚健康问题严重；运动爱好者经常肌肉疲劳，导致身体不适，严重时影响正常生活、增加受伤风险；体力劳动者长期劳作引起的肌肉疲劳，导致慢性肌肉损伤、风湿和风寒等。对运动员而言，如能快速消除疲劳，则有利于提升运动成绩，创造佳绩。

远红外光辐射是太阳光中一种波长较长（4-1000微米）的不可见光波，其具有很强的穿透性和辐射性，可被皮肤快速感知并转化为热量，因此在人体肌肉的疲劳恢复方面展现出巨大潜力。近年来，大量研究证明远红外光（FIR）发射材料已成为疲劳恢复的重要方法。然而，目前FIR陶瓷等传统材料疲劳恢复效率低、使用条件有限、生产过程繁琐、穿戴性欠佳。石墨烯不仅具有卓越的机械强度、良好的导热性和导电性，还具有优异的远红外光辐射特性。由于石墨烯独特的电子结构和光学特性，可发出8-15um范围内的远红外光，与人体辐射波段重合，这种特性使其很容易被人体组织吸收，产生共振与温热效应，使远红外线的热量穿透皮下组织，促进血液循环，扩张毛细血管，加速新陈代谢，成为一种用于疲劳恢复的理想远红外光发射材料。

浙江大学体育系刘文明副教授、彭玉鑫长聘副教授团队利用石墨烯远红外光发射材料的特性制备了一款佩戴于肱二头肌的高柔性发热膜装置，并探究了其对肱二头肌疲劳恢复的影响，证明了与自然恢复方法相比，石墨烯远红外光加热装置有助于肱二头肌的疲劳消除。相关成果以“Effects of a Graphene Heating Device on Fatigue Recovery of Biceps Brachii”为题发表在Bioengineering期刊上（Bioengineering 2023, 10, 381）。

论文第一作者为浙江大学体育系刘文明副教授，彭玉鑫长聘副教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、浙江大学科技创新团队2.0项目等相关经费的支持。

工作亮点

1.该工作使用的石墨烯远红外光发射膜及装置，具有优异的远红外光辐射特性，加热膜轻薄柔软，使用灵活便捷，更适合人体各种疲劳恢复应用场景。

2.石墨烯远红外光发射装置对肱二头肌局部疲劳恢复有积极作用，运动后自然恢复率为7.88%，使用石墨烯远红外光加热装置进行恢复能提升18%-20%的效能，是自然恢复的2-3倍。

研究内容

该工作通过使用由杭州高烯科技有限公司制造的石墨烯远红外光发热膜，进一步搭建成电控装置对人体进行疲劳恢复测试，发现显著效果。该加热装置是由石墨烯薄膜、智能温控器、电源适配器三部分组成。它为远红外光波保健理疗及治疗产品提供了几个优势：（1）可直接接触皮肤，可自动加热，温度和时长可调；（2）柔软轻薄，强度高，耐弯折，可洗涤，便于穿戴；（3）可以制成不同形状以适应人体不同部位；（4）远红外光发射效率高，无杂波，体感舒适，不干、不燥、不痒。

图1. 石墨烯加热装置实物图

图2. 石墨烯加热装置佩戴示意图

图2为石墨烯远红外装置佩戴图，FIR装置贴附在肱二头肌表面，加热端置于肱二头肌上端。

该研究通过峰值扭矩、疲劳量表等指标评估了在运动训练中使用石墨烯远红外光加热装置对肱二头肌疲劳恢复的影响。结果显示，该装置的疲劳恢复效果良好，运动后自然恢复率为7.88%，使用石墨烯远红外光加热装置进行恢复能提升18%-20%的效能，是自然恢复的2-3倍。且该装置便于携带和使用，更有利于在人体疲劳恢复中的应用，这项工作也证明了石墨烯远红外加热装置在人体疲劳恢复方面具有广阔的应用前景。

图3 （a）石墨烯在42℃下加热的红外热图像；（b）石墨烯加热装置在不同温度的远红外发射光谱

图3（a）为石墨烯加热装置使用红外热像仪在42℃时得到的红外热像图，白色、黑色分别代表材料的最强和最弱的红外辐射。由图可知，石墨烯加热装置的辐射均匀，石墨烯加热膜的发射率为0.98，远高于其他材料（如，镀锌玻璃为0.05，铜为0.57，海盐为0.91，远红外陶瓷微珠为0.94)。如图3（b）所示，石墨烯加热装置在35℃、40℃和45℃不同温度下的远红外光谱无明显差异，这说明加热温度对远红外线的波长没有明显影响。此外，远红外光发射材料在三个不同温度下表现出一致的红外波长范围，使其与黑体辐射光谱非常匹配。在适当的温度下，石墨烯加热装置可以保持最佳的热舒适性，使其成为促进疲劳恢复的有效可穿戴设备。