网络知识 娱乐 柔性传感电极:搭建人机交互的新桥梁

柔性传感电极:搭建人机交互的新桥梁

柔性人机接口是新一代高可靠、高稳定、能够长期提取人体生理及行为信息并建立物理干预反馈环路的核心器件系统,是获取人体健康大数据的首要人体界面传感系统,是人与机器连接沟通的桥梁。柔性传感电极是实现对人体组织长期稳定界面监测及后端人机交互的核心部件,在疾病诊断、疾病治疗康复、运动监测等柔性人机接口应用场景中发挥着至关重要的作用。


脑电、眼电、心电、肌电等生物电是由生物组织产生的、与生命状态和神经肌肉等生理活动密切相关的、有规律的电信号。生物电能够有效地反映出神经肌肉的活动状态,甚至是人体的运动意图。因此,电生理信息在生命活动状态监测、疾病诊断(如心电图可检测心肌梗塞与心律失常)、疾病治疗(如心脏起搏器可治疗缓慢性心律失常)、康复干预、假肢及外骨骼实时控制、运动监测等人机交互场景中具有不可替代的作用和重要的应用价值。然而,如何建立可靠的、对人体友好的人机交互桥梁是一个亟需解决却又困难重重的重要课题。

作为人机接口的核心部件,传感电极是一类可在人体界面直接提取人体电生理信息并进行反馈的重要元件。要实现对人体组织长期稳定的界面监测,传感电极需满足3个基本要求:其一,电极的软硬程度能与人体组织相匹配;其二,电极能与人体组织的本征曲面实现无缝稳定的贴附;其三,电极在体表应用时能与人体皮肤的生理功能相容。人体皮肤的模量仅约为10~1000千帕,柔软可拉伸。传统的由硅(Si)、金属、聚酰亚胺(PI)等材料制备的可获取生物信号的传感电极,有着材质硬、体积大、不可拉伸、共形性差等缺点,且杨氏模量远高于人体皮肤。这些刚性电极与皮肤在力学性能上难以匹配,共形贴附能力差,尤其是当皮肤发生形变时,电极会因滑移而极易脱附,甚至引发组织挫伤;并且易在与皮肤的交界处形成空隙导致界面阻抗显著增加,进而造成信号采集中断或者信号质量下降。此外,人体皮肤还兼具出汗出油、透气散热等多重功能,并可能对多种材料或刺激产生过敏等应激反应,这对电极的长时间佩戴及可靠使用提出了更高要求,否则极易导致佩戴者生理舒适度降低、电极性能不稳定等情况的出现。因此,研发具备与人体组织共形贴附、可长时间佩戴、使用可靠等特点的新型柔性传感电极,是实现对人体组织长期稳定界面监测及后端人机交互的重要保障。

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可拉伸柔性高密度电极阵列

为使电极具备更好的柔性可拉伸能力,研究团队以低模量的弹性聚合物为衬底,并在其上利用微裂纹机制及复合结构制备出可拉伸的导电通路,最终得到可拉伸柔性高密度电极阵列。该电极阵列模量较低(千帕至兆帕级别),厚度可调,能与皮肤实现较好的共形贴附,而且借助掩模加工工艺,可以较为简便地满足高密度电极阵列的加工需求。

该电极阵列能够在肢体活动和皮肤形变时实现随动变形,并能在动态条件下保证出色的工作稳定性和可靠性。为测试其可靠性,研究团队将21通道的高密度电极阵列贴附在受试者的手背上,并通过团队自研的多通道高密度电生理信号采集系统(BS Series,NES-64C01),实现对各手指在活动时肌肉群的肌电信号监测(见图1)。测试结果表明,当受试者做出不同手部动作时,电极阵列的不同通道能够较为及时准确地记录到对应肌肉的肌电信号。这将为实现基于表面肌电信号的精准手势识别提供可靠的工具支持。

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超贴附可拉伸薄膜干电极

作为实现自然、精准的人机交互的基础要求,传感电极在动态条件下仍需保持可靠的信号监测能力,这意味着电极需要具备较高的抗运动伪迹性能。伪迹是影响电生理信号准确采集的重要干扰信号,其主要来源之一就是电极与人体组织界面的物理不相容,导致人体运动时电极本身或与皮肤界面产生较大的电学特性变化,最终使得采集到的信号出现漂移或失真。

为此,研究团队提出了系列化的优化策略。其中,以百纳米级厚度的超薄高分子薄膜为电极衬底,制备得到了超贴附可拉伸薄膜干电极。该电极能够在微纳米级尺度上实现与皮肤的结构共形,超贴附于皮肤,并能完整保留皮肤的细微纹理结构(见图2)。同时,电极所用薄膜材料柔软可拉伸,使其在拉伸时仍能保证稳定的电学性能。在人体运动或皮肤出现形变时,电极不会与皮肤形成相对滑移,有效避免了两者的结构失配,从而达到抑制运动伪迹的效果。为测试其性能,将电极贴附在受试者腿部比目鱼肌处的皮肤上,当受试者以6千米每小时的速率以及10倍重力加速度跑步时,在测得的肌电信号中几乎看不到运动伪迹的干扰(见图3)。上述特点使得该电极在体育运动等动态电生理监测场景中具有重要应用价值和巨大应用潜力。

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自塑形的粘弹柔性干电极

毛发覆盖等复杂的体表应用场景往往对电极有着更高的要求,而传统凝胶注入耗时、易干失效等缺点使其难以在特定场景下完成电生理监测任务。

为满足毛发存在情况下的脑电监测的应用需求,研究团队研发了一种自塑形的粘弹柔性干电极。该电极具有优异的渗透性和塑性拉伸性(见图4),最大拉伸率可超过3000%,使其可如同橡皮泥一样被任意塑形,并可轻易渗透到毛发间隙,实现与皮肤的共形贴附。此外,电极不含水分,能够有效避免传统凝胶脱水失效的问题。在脑电的实际测试应用中(见图5),该电极表现出操作简便、能够快速渗透毛发、能在长时间测试中保持信号稳定等优点,明显优于传统需注射水凝胶的脑电帽,具有较为广阔的应用前景。

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透汗散热的柔性纤维网状电极

除了要考虑电极在一些物理结构和机械设计上与皮肤的匹配相容性,电极的可长期佩戴性也是电极在长时间使用时所必须考虑的重要因素。因此,电极一般需要使用具备生物相容性的材料来制备;同时,在皮肤表面使用时,电极要能够透汗、透气、散热,不会因长期佩戴而引发皮肤过敏或出现炎症反应。

针对上述需求,研究团队利用静电纺丝等纤维制备工艺,选用具有生物相容性的成纤聚合物和导电高分子材料,制备了多孔的柔性纤维网状电极。该电极的厚度可以控制在微米级别,能与皮肤实现较好的共形贴附;同时,电极蓬松多孔的纤维结构赋予其良好的透汗和透气散热性能,从而保证不论是在24小时的长时间佩戴期间还是在运动出汗时,皮肤都能够正常呼吸,且不会引起皮肤不适。

在实际测试中,研究团队发现该电极在常温(20℃)和高温(37℃)条件下的水蒸气透过率分别高达约53和约117克每平方米每小时(g•m-2•h-1),远远超过人体皮肤的经表皮失水率(TEWL),这表明电极在体表应用时不会阻碍皮肤的水分蒸发散失。此外,运动前后对比测试表明,该电极能够快速透汗散热,不会引起电极贴附区域皮肤的温度异常升高以及周围皮肤的汗液积聚(见图6),具有较高的热湿舒适性。上述特点使得该电极在运动员日常训练、特定人群长期康复等运动监测方面将发挥出重要作用。


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总结与展望

当前,研究团队针对特定应用需求研发出的上述柔性传感电极,已在基于大面积肌肉功能可视化的腰背痛诊断、脑电测试、运动出汗下的心电及肌电测试等多种场景中实现了较好的应用。下一步,研究团队将在柔性传感电极的可靠性和稳定性等方面开展更加深入的研究,并依据复杂场景的应用需求,整合更加集成化和特异化的功能,持续优化现有应用方案,拓展并开发新的应用方案,让团队研究成果早日从“实验室”走向“诊疗室”,从受试者走向大众需求者。

相信随着可穿戴及人机交互技术的不断发展,在未来,柔性人机接口不但可以帮助医生和患者解决更多“烦恼”,还将以更加友好的形态悄无声息地融入人们的生活,为更多人带来便利。

致谢:感谢国家重点研发计划“主动健康和老龄化科技应对”重点专项项目“智能灵巧上肢假肢及适配技术研究”(项目编号:2020YFC2007900)的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2022年1月刊。