英國(guó)曼徹斯特的原子力學(xué)公司開(kāi)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(jìng)爭(zhēng)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(shì)。

傳感器作為監(jiān)測(cè)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(kāi)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(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)傳感器已經(jīng)顯示出在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(kāi)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(píng)估。特別是，對(duì)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(cè)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(zhǎng)率將達(dá)到65億美元，而2018年的年增長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)中開(kāi)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(lái)，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(lái)，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(wèn)題（Xu，et al.，2019）。

這些問(wèn)題擴(kuò)大了科學(xué)家們利用石墨烯的神奇特性來(lái)取代硅的機(jī)會(huì)。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(cè)量人體活動(dòng)，如溫度、心率、脈搏氧合、呼吸頻率、血壓、血糖和心電圖信號(hào)（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(jué)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(shì)。

機(jī)器人傳感器

機(jī)器人傳感器的性能取決于其對(duì)目標(biāo)分子或細(xì)胞的檢測(cè)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(cè)、可測(cè)量的信號(hào)。

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(xiāo)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(chēng)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(kāi)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(kāi)發(fā)各種應(yīng)用中的機(jī)器人輔助手術(shù)平臺(tái)（Shah、Felinski、Wilson、Bajwa和Wilson，2020年）。2018年，全世界實(shí)施了超過(guò)100萬(wàn)個(gè)機(jī)器人輔助手術(shù)（Shah、Felinski、Wilson、Bajwa和Wilson，2020），證實(shí)了它們?cè)卺t(yī)療領(lǐng)域的廣泛改進(jìn)和可接受性。

對(duì)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(méi)有并發(fā)癥（Khan、Meyers、Siasios和Pollina，2019年）。另一個(gè)引人入勝的演示來(lái)自中國(guó)北京微電子研究所和北京國(guó)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(cè)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(hào)。

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(cè)細(xì)微和巨大的人體運(yùn)動(dòng)。該傳感器表現(xiàn)出令人難以置信的性能，包括高靈敏度、長(zhǎng)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(lèi)與機(jī)器人技術(shù)的對(duì)接開(kāi)辟了一條新的途徑，提高了該裝置對(duì)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(lái)為外科應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。
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