英國曼徹斯特的原子力學(xué)公司開發(fā)了一種基于石墨烯聚合物的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMs）。這種力敏透明膜顯示了作為電子器件的新設(shè)計(jì)模型的潛在性能。雖然在原型階段，原子力學(xué)正與幾家制造商密切合作，以具有競爭力的價(jià)格將該技術(shù)轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用，同時(shí)與現(xiàn)有技術(shù)相比仍具有優(yōu)勢。

傳感器作為監(jiān)測重要器官和診斷病人的媒介，在醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，目前由各種傳感方法開發(fā)的傳統(tǒng)傳感器，如側(cè)向流免疫分析（Viro Research，2019）、熒光微陣列（Jaksik、Iwanazko、Rzeszowska-Wolny和Kimmel，2015）、電化學(xué)方法（Song、Xu、Kuroki、Liao和Tsunoda，2018）和聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）開發(fā)的傳統(tǒng)傳感器已經(jīng)顯示出在實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)方面復(fù)雜且不敏感。

研究的空白吸引了科學(xué)家們開發(fā)出具有超特異傳感特性的新型傳感器，并將其應(yīng)用于實(shí)時(shí)定量評估。特別是，對于小型手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的巨大需求，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測患者的病情，被視為醫(yī)療系統(tǒng)的下一代突破（Graphene Flagship，2019年）。

這些手術(shù)機(jī)器人使醫(yī)生和病人在手術(shù)中比使用大切口更為有利。盡管成本很高，但預(yù)計(jì)到2023年，外科機(jī)器人的年增長率將達(dá)到65億美元，而2018年的年增長率為39億美元。

原子力學(xué)在使用石墨烯聚合物的MEMs方面的新發(fā)展，為人們長期深入地研究具有優(yōu)異導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、大比表面積的現(xiàn)代復(fù)合材料提供了信心，以及在健康監(jiān)測系統(tǒng)中開發(fā)有前途的傳感器和植入式設(shè)備所需的出色的機(jī)械靈活性。

石墨烯在傳感器中的作用

自20世紀(jì)80年代末引入以來，MEMS的概念探索了在日常應(yīng)用（Xu，et al.，2019）中使用各種形狀記憶合金（Hino&Maeno，2004）和復(fù)合材料（Miriyev，Stack，&Lipson，2017）創(chuàng)建傳感原型的小型化版本的可能性。

特別是自1954年以來，硅基傳感器因其體積小、信噪比高、磁滯低和制造結(jié)構(gòu)的高重復(fù)性而備受關(guān)注（Xu，et al.，2019）。然而，硅基傳感器具有價(jià)格昂貴、產(chǎn)生有毒副產(chǎn)品、傳感表面積小、靈敏度降低、生物相容性有限等問題（Xu，et al.，2019）。

這些問題擴(kuò)大了科學(xué)家們利用石墨烯的神奇特性來取代硅的機(jī)會。石墨烯的大表面積、高導(dǎo)電性和獨(dú)特的電性能使其成為傳感器的理想候選材料。因此，已有大量基于石墨烯的傳感器被報(bào)道，包括可穿戴或可植入的傳感器，可實(shí)時(shí)測量人體活動，如溫度、心率、脈搏氧合、呼吸頻率、血壓、血糖和心電圖信號（Choi等人，2020年）。石墨烯的高光學(xué)透明度的驚人特性意味著可以在不受視覺干擾的情況下精確觀察生物組織（Huang，et al.，2019）。

由于其高比表面積，石墨烯層使整個(gè)碳原子直接與目標(biāo)分子接觸，這使其比硅具有更高的靈敏度優(yōu)勢。

機(jī)器人傳感器

機(jī)器人傳感器的性能取決于其對目標(biāo)分子或細(xì)胞的檢測功耗和靈敏度。石墨烯基材料被認(rèn)為是生物傳感器，它將受體和目標(biāo)分子之間的相互作用轉(zhuǎn)化為可檢測、可測量的信號。

Robert Roelver先生代表世界上最大的微電子機(jī)械傳感器供應(yīng)商Robert Bosch company在2015年石墨烯周上展示了他們基于霍爾效應(yīng)的新型石墨烯傳感器，在Roelver先生演講時(shí)銷售額達(dá)到10億歐元（Sedgemore，2016年）。

這項(xiàng)工作與馬克斯普朗克固態(tài)研究所的科學(xué)家合作，由一種石墨烯基磁性傳感器組成，其靈敏度是硅的100倍。

Roelver先生稱贊羅伯特·博世在他們的壓力、磁性、濕度、氣體和聲壓設(shè)備中也采用了石墨烯，他們新開發(fā)的磁性設(shè)備顯示出每安培7000伏特/安培特斯拉的高靈敏度（Sedgemore，2016），而硅基霍爾傳感器的靈敏度為70伏/安培特斯拉。

下一代手術(shù)機(jī)器人

目前有70多家公司正在開發(fā)各種應(yīng)用中的機(jī)器人輔助手術(shù)平臺（Shah、Felinski、Wilson、Bajwa和Wilson，2020年）。2018年，全世界實(shí)施了超過100萬個(gè)機(jī)器人輔助手術(shù)（Shah、Felinski、Wilson、Bajwa和Wilson，2020），證實(shí)了它們在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛改進(jìn)和可接受性。

對20例患者進(jìn)行75枚椎弓根螺釘?shù)氖中g(shù)植入實(shí)現(xiàn)了98.7%的準(zhǔn)確性，沒有并發(fā)癥（Khan、Meyers、Siasios和Pollina，2019年）。另一個(gè)引人入勝的演示來自中國北京微電子研究所和北京國家信息科學(xué)技術(shù)研究中心（BNRist），他們揭示了石墨烯作為傳感器檢測機(jī)械、電生理、流體（葡萄糖、小分子有機(jī)物）的能力，大分子有機(jī)物）和氣體（濕度、NO2、NH3、丙酮）信號。

另一個(gè)研究小組（Yang，et al.，2018）提出了一種貼身可穿戴的基于石墨烯的織物傳感器，可在衣服上編織，以檢測細(xì)微和巨大的人體運(yùn)動。該傳感器表現(xiàn)出令人難以置信的性能，包括高靈敏度、長期穩(wěn)定性和極大的舒適性。

機(jī)器人手術(shù)將繼續(xù)是醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域中最受歡迎和發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。然而，下一代手術(shù)機(jī)器人在生物相容性、穩(wěn)定性、舒適性、小型化、成本效益和可靠性等方面需要進(jìn)一步考慮。

原子力學(xué)目前的突破，為人類與機(jī)器人技術(shù)的對接開辟了一條新的途徑，提高了該裝置對病人早期診斷的靈敏度，提高了生存率，降低了成本，提高了生活質(zhì)量。手術(shù)機(jī)器人的這些技術(shù)創(chuàng)新可能在不久的將來為外科應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。
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