仿生可排汗生物電極研究獲進展

柔性電生理電極用于舉重平衡訓練以及投籃肌肉精準控制訓練。胡川團隊 供圖

受到皮膚排汗和自然界中水定向傳輸現象的啟發，廣東省科學院半導體研究所教授胡川團隊在仿生可排汗生物電極研究方向取得重要進展。相關研究近日發表于《先進材料技術》（Advanced Materials Technologies）。

可穿戴電子設備的最新技術創新為實時監測電生理參數（如：ECG、EMG和EEG）提供了可能性。作為生物世界與信息世界之間溝通的橋梁，電生理電極將生物組織的離子信號轉換為電信號。為了實現準確和長期的電生理測量，理想的電極應具備以下特性：優異的生物相容性、保形附著、用戶友好、長期穩定性和低的皮膚-電極阻抗，以保證信號靈敏度和可靠性。皮膚-電極界面的有關問題已取得很大進展，但與汗液相關的挑戰尚未完全解決。

排汗是人類進行體溫調節的一種方式，當電極貼到皮膚上一段時間后，汗液會在皮膚界面處形成一層薄薄的水分層，這起到了電解質的作用。但是在出汗較多的情況下，一方面過厚的汗液層使電極-皮膚的界面阻抗驟增，導致信號采集效果變差；另一方面由于汗水的潤滑作用使電極和皮膚之間的附著力嚴重變弱，導致電極易和皮膚發生相對滑動產生嚴重的運動偽差。已知的透氣性織物電極可以在一定程度上緩解這些影響，但在佩戴者處于劇烈運動或高溫環境等出汗過多的情況時，織物電極的排汗能力則表現地過于吃力。

水的定向傳輸是自然界普遍存在的現象。例如，水鳥通過錐形喙的開合動作來定向運輸水滴，這可以通過拉普拉斯壓力梯度來解釋。受到皮膚排汗和自然界中水定向傳輸現象的啟發，胡川團隊開發了一種帶有錐形微孔的Janus金納米線/硝酸纖維素（AuNWs/NC）電生理電極，以解決汗液引起的界面問題。在錐形孔的非對稱結構和孔內的潤濕性梯度導致的拉普拉斯壓差作用下，Janus AuNWs/NC電極自發地將汗水從AuNWs側吸到NC側，從而保持皮膚電極的緊密接觸和低界面阻抗，以確保在長期監測期間獲得高保真信號。

一系列的實驗證明，不具備排汗功能的無孔電極在電極-皮膚界面汗液較多的情況下所采集到的ECG和EMG信號發生了嚴重的失真。而仿生可排汗電極即使在受測部位皮膚大量出汗的情況下依然采集了高保真的ECG和EMG信號。因此，該仿生排汗電極可以解決皮膚出汗引起的界面問題，并提高長期佩戴和運動過程中電生理信號的記錄質量。

胡川團隊還將無孔電極與電路模塊、高級算法和人機界面集成，開發了一個基于EMG信號的肌肉活動強度可視化系統。該EMG監測系統可應用于精確評估特定肌群的控制能力和平衡能力，并在投籃運動和舉重運動的訓練中得到了初步驗證。除此之外，該系統在康復治療和運動訓練等方面具有巨大潛力。

該研究為下一代皮膚可穿戴電子設備的皮膚界面問題提出了新的解決思路。

該研究工作得到國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃項目、廣東省科學院建設國內一流研究機構行動專項資金項目的支持。