信號(hào)可以作為程序輸入，驅(qū)動(dòng)假肢執(zhí)行復(fù)雜活動(dòng)(如抓針)。它的工作機(jī)理是：肌肉收縮時(shí)，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(hào)，電極記錄下該sEMG信號(hào)并將其作為程序輸入來(lái)驅(qū)動(dòng)假肢去抓針。
事實(shí)上，肌肉收縮時(shí)，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(hào)失真，且劣質(zhì)的sEMG信號(hào)還不利于抑制串?dāng)_。所以，若想在復(fù)雜的肌肉收縮活動(dòng)中獲得高質(zhì)的sEMG信號(hào)，這就要求電極能很好地順應(yīng)肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的彎曲表面，從而形成無(wú)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(xué)陳曉東教授和浙江大學(xué)李德昌副教授團(tuán)隊(duì)使用強(qiáng)粘性離子導(dǎo)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(dǎo)電層和角質(zhì)層之間形成的強(qiáng)靜電作用和范德華力使電極的粘合力高達(dá)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(shí)實(shí)現(xiàn)了高信噪比(signal–noise ratio, SNR)>5:1和無(wú)關(guān)肌肉的低串?dāng)_，可檢測(cè)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(dòng)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(hào)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(cè)弱肌肉活動(dòng)的sEMG信號(hào)時(shí)，誘導(dǎo)的電荷密度大大降低導(dǎo)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(tuán)隊(duì)制備的Alg-PAAm電極，藍(lán)色區(qū)域代表了人類(lèi)皮膚阻抗(6-10 kΩ, 即理想阻抗)。顯然，厚度為5μm時(shí)干電極的阻抗最小(≈25 kΩ)，甚至厚度低至100 nm時(shí)界面阻抗也沒(méi)有進(jìn)一步降低。陳曉東教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(hào), (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(jià)鍵交聯(lián)形成的長(zhǎng)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(qiáng)(90N/m)，間隙也從微米級(jí)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(duì)皮膚的順應(yīng)性，降低了生物電子阻抗(1Hz時(shí)≈20 kΩ)，優(yōu)化了皮膚離子通量與電極電流的耦合過(guò)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(shí)相互作用的細(xì)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(lái)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?dāng)_】
Alg-PAAm電極具有高信噪比(>5:1)，當(dāng)肌肉最大自主收縮低至2.1%時(shí)，它的尺寸即使從81減小到9 mm2，仍然具有很強(qiáng)的sEMG信號(hào)。而且，由于A(yíng)lg-PAAm電極信噪比高，當(dāng)尺寸小于10 mm2時(shí)，可以克服串?dāng)_；當(dāng)尺寸為1mm2時(shí)，信噪比仍有≈3:1。所以，Alg-PAAm電極能檢測(cè)到細(xì)微的肌肉活動(dòng)所產(chǎn)生的微弱肌電圖信號(hào)，且最低檢測(cè)限為2.1%的肌肉最大自主收縮。
圖3.(a)不同電極記錄實(shí)時(shí)肌電信號(hào)隨時(shí)間變化,?(b)不同電極采集不同肌肉收縮時(shí)sEMG信號(hào)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?dāng)_與尺寸的關(guān)系,?(d)拇指引起的中指串?dāng)_與電極尺寸和肌肉收縮強(qiáng)度的關(guān)系, (e)拇指、食指、中指和無(wú)名指在無(wú)串?dāng)_時(shí)的sEMG信號(hào)(電極大小為9 mm2，10%的肌肉最大自主收縮)
【Alg-PAAm電極驅(qū)動(dòng)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(hào)，并使用這些信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致信號(hào)失真，假肢的拇指和食指雖然會(huì)隨著正常人手指的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，但無(wú)法抓住針。此外，在正常人中指和無(wú)名指并沒(méi)有動(dòng)的情況下，串?dāng)_會(huì)使假肢的中指和無(wú)名指動(dòng)起來(lái)。而使用81和9 mm2?Alg-PAAm電極時(shí)，假肢拇指和食指沿著正常人手指的運(yùn)動(dòng)軌跡，成功地抓住了針。但是，使用81 mm2?Alg-PAAm電極時(shí)，串?dāng)_會(huì)使中指和無(wú)名指彎曲5-10度。而使用9 mm2?Alg-PAAm電極時(shí)，無(wú)名指的串?dāng)_被最小化到背景噪音的范圍，中指和無(wú)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(dòng)假肢抓住一根針。
總結(jié)：研究人員使用離子導(dǎo)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(wú)間隙界面，從而使電極實(shí)現(xiàn)超低電阻(≈20 kΩ)、高信噪比(>5:1)和低串?dāng)_，可檢測(cè)到低至2.1％的肌肉最大自主收縮，并且能驅(qū)動(dòng)假肢精確地抓住一根針。?
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003723
