南洋理工大學陳曉東《AM》：假肢也能精確地抓住一根針！

信號可以作為程序輸入，驅(qū)動假肢執(zhí)行復雜活動(如抓針)。它的工作機理是：肌肉收縮時，電解組織中的離子通量和記錄設(shè)備中的電流在皮膚與電極的界面發(fā)生電容耦合并產(chǎn)生sEMG信號，電極記錄下該sEMG信號并將其作為程序輸入來驅(qū)動假肢去抓針。

事實上，肌肉收縮時，電極與彎曲的皮膚之間總是產(chǎn)生或大或小的間隙。這些間隙增大界面阻力，阻礙離子和電流耦合，產(chǎn)生高噪音，并使所記錄的sEMG信號失真，且劣質(zhì)的sEMG信號還不利于抑制串擾。所以，若想在復雜的肌肉收縮活動中獲得高質(zhì)的sEMG信號，這就要求電極能很好地順應肌肉收縮時產(chǎn)生的彎曲表面，從而形成無隙界面，最小化“電極-皮膚”系統(tǒng)電阻，最好是接近理想阻值(6–10 kΩ)。

為解決這一難題，南洋理工大學陳曉東教授和浙江大學李德昌副教授團隊使用強粘性離子導電凝膠和含有5% LiCl的海藻酸-聚丙烯酰胺(alginate-polyacrylamide,Alg-PAAm)制備出一種電阻超低的小尺寸(9 mm²)兼容電極。該電極的導電層和角質(zhì)層之間形成的強靜電作用和范德華力使電極的粘合力高達90 N/m(商業(yè)電極的粘合力為41 N/m)，成功地消除了電極與皮膚之間的微小間隙，從而使電極與皮膚之間的電阻低至20 kΩ。同時實現(xiàn)了高信噪比(signal–noise ratio, SNR)>5:1和無關(guān)肌肉的低串擾，可檢測到低至2.1％的肌肉最大自主收縮。最后，研究人員使用9 mm²的Alg-PAAm電極成功地驅(qū)動假肢精確地抓住一根針。該研究以題為“A Compliant Ionic Adhesive Electrode?with Ultralow Bioelectronic Impedance”的論文發(fā)表在最新一期《Advanced Materials》上。

【Alg-PAAm電極的阻抗及其工作原理】

sEMG信號是電解組織介質(zhì)中的離子通量與記錄電極中的電流在皮膚與電極的界面耦合產(chǎn)生的。由于肌肉收縮使界面產(chǎn)生間隙，在監(jiān)測弱肌肉活動的sEMG信號時，誘導的電荷密度大大降低導致生物阻抗增大。

圖1.(b)中綠色圓圈代表濕電極，紅色正方形代表干電極，綠色五角星代表陳曉東教授團隊制備的Alg-PAAm電極，藍色區(qū)域代表了人類皮膚阻抗(6-10 kΩ, 即理想阻抗)。顯然，厚度為5μm時干電極的阻抗最小(≈25 kΩ)，甚至厚度低至100 nm時界面阻抗也沒有進一步降低。陳曉東教授團隊通過增加電極和皮膚之間的粘合力,獲得了具有超低界面阻抗(≈20 kΩ)的濕電極(即Alg-PAAm電極)。

圖1.(a)離子和電流在電極和皮膚的界面上耦合產(chǎn)生表面肌電信號, (b)不同干/濕電極的界面阻抗與粘合力、厚度的關(guān)系

【Alg-PAAm電極的性能特征】

Alg-PAAm電極是典型的高粘性凝膠，由聚藻酸鹽和聚丙烯酰胺以共價鍵交聯(lián)形成的長鏈組成。隨著Alg-PAAm凝膠分子與角質(zhì)層之間的靜電作用和范德華力的增加，Alg-PAAm凝膠分子與角質(zhì)層的距離逐漸減少，氫鍵數(shù)、原子接觸數(shù)和原子接觸面積也隨之增加。因此，Alg-PAAm電極與皮膚之間的粘合力增強(90N/m)，間隙也從微米級尺度(2-4×0.3-0.6μm)降低到納米尺度(80-120×≈10 nm)。極大地提高了Alg-PAAm電極對皮膚的順應性，降低了生物電子阻抗(1Hz時≈20 kΩ)，優(yōu)化了皮膚離子通量與電極電流的耦合過程。

圖2.(a)?Alg-PAAm的模擬模型, (b)?Alg-PAAm凝膠與角質(zhì)層在分子水平上的相互作用, (c) Alg-PAAm凝膠與角質(zhì)層在150 ns時相互作用的細節(jié), (d)?Alg-PAAm凝膠與角質(zhì)層之間的范德華力和靜電能, (e)Alg-PAAm凝膠與角質(zhì)層之間的最小距離, (f)Alg-PAAm凝膠與角質(zhì)層氫鍵數(shù)目, (g)將Alg-PAAm電極和商業(yè)電極剝離90°來比較粘合力, (h)商業(yè)電極與豬皮界面的掃描電鏡圖, (i) Alg-PAAm電極與豬皮界面的掃描電鏡圖, (j) Alg-PAAm電極和商業(yè)電極在“電極-皮膚”系統(tǒng)中的阻抗與頻率的關(guān)系。

【Alg-PAAm電極的信噪比和串擾】

Alg-PAAm電極具有高信噪比(>5:1)，當肌肉最大自主收縮低至2.1%時，它的尺寸即使從81減小到9 mm²，仍然具有很強的sEMG信號。而且，由于Alg-PAAm電極信噪比高，當尺寸小于10 mm²時，可以克服串擾；當尺寸為1mm2時，信噪比仍有≈3:1。所以，Alg-PAAm電極能檢測到細微的肌肉活動所產(chǎn)生的微弱肌電圖信號，且最低檢測限為2.1%的肌肉最大自主收縮。

圖3.(a)不同電極記錄實時肌電信號隨時間變化,?(b)不同電極采集不同肌肉收縮時sEMG信號的信噪比,?(c)在10%的肌肉最大自主收縮下，Alg-PAAm電極和商業(yè)電極的信噪比和串擾與尺寸的關(guān)系,?(d)拇指引起的中指串擾與電極尺寸和肌肉收縮強度的關(guān)系, (e)拇指、食指、中指和無名指在無串擾時的sEMG信號(電極大小為9 mm2，10%的肌肉最大自主收縮)

【Alg-PAAm電極驅(qū)動假肢抓針】

研究人員分別使用81和9?mm²的Alg-PAAm電極和78.5 mm²的商業(yè)電極，記錄正常人手指上的sEMG信號，并使用這些信號來驅(qū)動3d打印假肢去抓針。由于商用電極的“電極-皮膚”系統(tǒng)的高阻抗導致信號失真，假肢的拇指和食指雖然會隨著正常人手指的運動而移動，但無法抓住針。此外，在正常人中指和無名指并沒有動的情況下，串擾會使假肢的中指和無名指動起來。而使用81和9 mm²?Alg-PAAm電極時，假肢拇指和食指沿著正常人手指的運動軌跡，成功地抓住了針。但是，使用81 mm²?Alg-PAAm電極時，串擾會使中指和無名指彎曲5-10度。而使用9 mm²?Alg-PAAm電極時，無名指的串擾被最小化到背景噪音的范圍，中指和無名指保持靜止。

圖4.使用(a)商業(yè)電極, (b) 81 mm²?的Alg-PAAm電極, (c) 9?mm²?的Alg-PAAm電極驅(qū)動假肢抓住一根針。

總結(jié)：研究人員使用離子導電水凝膠和海藻酸-聚丙烯酰胺制備出一種電阻超低的小尺寸(9 mm²)兼容電極。該電極由于粘合力高(90 N/m)，形成了無間隙界面，從而使電極實現(xiàn)超低電阻(≈20 kΩ)、高信噪比(>5:1)和低串擾，可檢測到低至2.1％的肌肉最大自主收縮，并且能驅(qū)動假肢精確地抓住一根針。?

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003723