image: (a) 独立超轻石墨烯气凝胶较其 “三明治” 聚合物复合物在拉伸载荷下具有较高应力集中系数。（b）超轻石墨烯气凝胶基复合物的合成示意图。（c）超轻石墨烯气凝胶基复合物的超长延展性和线性力电感应性。（d）超轻石墨烯气凝胶基复合物的可弯曲、可扭转性。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
骨骼肌是人体运动系统中的重要组成部分。骨骼肌的收缩、平衡和舒张控制着人体的运动，从手指的轻触到躯体的移动。骨骼肌的精确驱动与控制是维持人体健康生命体征、实现行动自由和高品质生活的关键。骨骼肌任何一个组成部分发生损伤或者病变，都会对人体的运动或感知造成极大影响。目前，骨骼肌功能的检测主要依赖医疗机构使用的大型精密肌电图或肌动图检测技术。随着人们对便携、即时、精准、低成本及高舒适度健康检测需求，开发新型柔性、可穿戴骨骼肌生理健康监测设备对尤为重要与迫切。但骨骼肌的本征运动幅度微小而快速，现有聚合物基柔性传感器件受其本征的粘弹性影响具有感应速度慢、信号滞后、非线性力电响应性等特点，难以实现即时、准确的骨骼肌肉运动检测。
在最近发表于《国家科学评论》（National Science Review）的文章中，研究者发现超低密度的石墨烯气凝胶（<1 mg/cm3，相当于空气的密度）具有特异的界面应力应变传递行为。当与硅橡胶接触并拉伸时，普通气凝胶很容易在界面处滑移，极低密度的石墨烯气凝胶却可以有效地实现应力应变传输。这一新机制使得硅橡胶的均匀延展性能有效地传递到气凝胶，驱使气凝胶与硅橡胶同步延展，实现本征气凝胶没有的极佳拉伸性。基于此发现，该团队设计了一种“三明治”复合结构，将超低密度石墨烯气凝胶夹在硅橡胶间，制备了一种新型超柔软、高延展（> 100%拉伸形变）的超轻石墨烯气凝胶基复合物（图1）。实验发现，该“三明治”复合结构既能极大地提升石墨烯气凝胶的可拉伸性，还可以同时保留石墨烯气凝胶的本征特殊的高频力电响应性质，首次实现了柔性导电复合物材料在高频、实时微动力电检测（>180 Hz）的突破（图2）。另外，这一高效界面应力应变转移机制的发现提供了一个解决超轻气凝胶本征的结构易碎难题的通用方案，为这类新型极限软材料的实际应用扫除了一个关键障碍。
利用石墨烯气凝胶基复合物的宽频/超低应变力电响应能力，该团队首次将柔性应变传感器用于检测微小、快速的肌肉纤维运动，并发现石墨烯气凝胶基复合物器件与传统肌电测试结果高度一致。例如，电刺激产生的人体肱二头肌收缩时，石墨烯气凝胶基复合物器件在不同电刺激频率和强度下都显示出高灵敏性和准确性；人体自主肱二头肌收缩时，石墨烯气凝胶基复合物器件信号与肌电图测试信号的高度匹配度（图3）。该器件还可被用于检测帕金森等疾病造成肌肉失调症状（图4）。总之，石墨烯气凝胶基复合物为骨骼肌的实时健康检测及相关疾病的诊断和预警提供了新的检测技术手段，为未来的人机界面技术提供了新的柔性材料体系及系统设计概念。
上述成果发表于《国家科学评论》（National Science Review），澳大利亚墨尔本大学李丹教授及清华深圳国际研究生院丘陵副教授为共同通讯作者，何子君博士为第一作者。合作作者包括墨尔本大学的刘哲副教授和王康岩硕士；澳洲蒙纳士大学的George P. Simon教授和齐正博士；墨尔本St. Vincent's Hospital的Leslie Roberts教授和Mark J. Cook教授；西安交通大学的刘益伦教授和刘惠超博士；香港理工大学的Stephen J. Wang 教授。
研究详情请见原文：
Detecting subtle yet fast skeletal muscle contractions with ultrasoft and durable graphene-based cellular materials
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab184
Journal
National Science Review