南洋理工大学陈晓东《AM》:假肢也能精确地抓住一根针!

信号可以作为程序输入,驱动假肢执行复杂活动(如抓针)。它的工作机理是:肌肉收缩时,电解组织中的离子通量和记录设备中的电流在皮肤与电极的界面发生电容耦合并产生sEMG信号,电极记录下该sEMG信号并将其作为程序输入来驱动假肢去抓针。

事实上,肌肉收缩时,电极与弯曲的皮肤之间总是产生或大或小的间隙。这些间隙增大界面阻力,阻碍离子和电流耦合,产生高噪音,并使所记录的sEMG信号失真,且劣质的sEMG信号还不利于抑制串扰。所以,若想在复杂的肌肉收缩活动中获得高质的sEMG信号,这就要求电极能很好地顺应肌肉收缩时产生的弯曲表面,从而形成无隙界面,最小化“电极-皮肤”系统电阻,最好是接近理想阻值(6–10 kΩ)。

为解决这一难题,南洋理工大学陈晓东教授浙江大学德昌副教授团队使用强粘性离子导电凝胶含有5% LiCl的海藻酸-聚丙烯酰胺(alginate-polyacrylamide,Alg-PAAm)制备出一种电阻超低的小尺寸(9 mm2)兼容电极。该电极的导电层和角质层之间形成的强静电作用范德华力使电极的粘合力高达90 N/m(商业电极的粘合力为41 N/m),成功地消除了电极与皮肤之间的微小间隙,从而使电极与皮肤之间的电阻低至20 kΩ。同时实现了高信噪比(signal–noise ratio, SNR)>5:1和无关肌肉的低串扰,可检测到低至2.1%的肌肉最大自主收缩。最后,研究人员使用9 mm2的Alg-PAAm电极成功地驱动假肢精确地抓住一根针。该研究以题为“A Compliant Ionic Adhesive Electrode with Ultralow Bioelectronic Impedance”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。

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【Alg-PAAm电极的阻抗及其工作原理】

sEMG信号是电解组织介质中的离子通量与记录电极中的电流在皮肤与电极的界面耦合产生的。由于肌肉收缩使界面产生间隙,在监测弱肌肉活动的sEMG信号时,诱导的电荷密度大大降低导致生物阻抗增大。

图1.(b)中绿色圆圈代表湿电极,红色正方形代表干电极,绿色五角星代表陈晓东教授团队制备的Alg-PAAm电极,蓝色区域代表了人类皮肤阻抗(6-10 kΩ, 即理想阻抗)。显然,厚度为5µm时干电极的阻抗最小(≈25 kΩ),甚至厚度低至100 nm时界面阻抗也没有进一步降低。陈晓东教授团队通过增加电极和皮肤之间的粘合力,获得了具有超低界面阻抗(≈20 kΩ)的湿电极(即Alg-PAAm电极)。

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图1.(a)离子和电流在电极和皮肤的界面上耦合产生表面肌电信号, (b)不同干/湿电极的界面阻抗与粘合力、厚度的关系

【Alg-PAAm电极的性能特征】

Alg-PAAm电极是典型的高粘性凝胶,由聚藻酸盐和聚丙烯酰胺以共价键交联形成的长链组成。随着Alg-PAAm凝胶分子与角质层之间的静电作用和范德华力的增加,Alg-PAAm凝胶分子与角质层的距离逐渐减少,氢键数、原子接触数和原子接触面积也随之增加。因此,Alg-PAAm电极与皮肤之间的粘合力增强(90N/m),间隙也从微米级尺度(2-4×0.3-0.6μm)降低到纳米尺度(80-120×≈10 nm)。极大地提高了Alg-PAAm电极对皮肤的顺应性,降低了生物电子阻抗(1Hz时≈20 kΩ),优化了皮肤离子通量与电极电流的耦合过程。

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图2.(a) Alg-PAAm的模拟模型, (b) Alg-PAAm凝胶与角质层在分子水平上的相互作用, (c) Alg-PAAm凝胶与角质层在150 ns时相互作用的细节, (d) Alg-PAAm凝胶与角质层之间的范德华力和静电能, (e)Alg-PAAm凝胶与角质层之间的最小距离, (f)Alg-PAAm凝胶与角质层氢键数目, (g)将Alg-PAAm电极和商业电极剥离90°来比较粘合力, (h)商业电极与猪皮界面的扫描电镜图, (i) Alg-PAAm电极与猪皮界面的扫描电镜图, (j) Alg-PAAm电极和商业电极在“电极-皮肤”系统中的阻抗与频率的关系。

【Alg-PAAm电极的信噪比和串扰】

Alg-PAAm电极具有高信噪比(>5:1),当肌肉最大自主收缩低至2.1%时,它的尺寸即使从81减小到9 mm2,仍然具有很强的sEMG信号。而且,由于Alg-PAAm电极信噪比高,当尺寸小于10 mm2时,可以克服串扰;当尺寸为1mm2时,信噪比仍有≈3:1。所以,Alg-PAAm电极能检测到细微的肌肉活动所产生的微弱肌电图信号,且最低检测限为2.1%的肌肉最大自主收缩。

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图3.(a)不同电极记录实时肌电信号随时间变化, (b)不同电极采集不同肌肉收缩时sEMG信号的信噪比, (c)在10%的肌肉最大自主收缩下,Alg-PAAm电极和商业电极的信噪比和串扰与尺寸的关系, (d)拇指引起的中指串扰与电极尺寸和肌肉收缩强度的关系, (e)拇指、食指、中指和无名指在无串扰时的sEMG信号(电极大小为9 mm2,10%的肌肉最大自主收缩)

【Alg-PAAm电极驱动假肢抓针】

研究人员分别使用81和9 mm2的Alg-PAAm电极和78.5 mm2的商业电极,记录正常人手指上的sEMG信号,并使用这些信号来驱动3d打印假肢去抓针。由于商用电极的“电极-皮肤”系统的高阻抗导致信号失真,假肢的拇指和食指虽然会随着正常人手指的运动而移动,但无法抓住针。此外,在正常人中指和无名指并没有动的情况下,串扰会使假肢的中指和无名指动起来。而使用81和9 mm2 Alg-PAAm电极时,假肢拇指和食指沿着正常人手指的运动轨迹,成功地抓住了针。但是,使用81 mm2 Alg-PAAm电极时,串扰会使中指和无名指弯曲5-10度。而使用9 mm2 Alg-PAAm电极时,无名指的串扰被最小化到背景噪音的范围,中指和无名指保持静止。

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图4.使用(a)商业电极, (b) 81 mm2 的Alg-PAAm电极, (c) 9 mm2 的Alg-PAAm电极驱动假肢抓住一根针。

总结:研究人员使用离子导电水凝胶和海藻酸-聚丙烯酰胺制备出一种电阻超低的小尺寸(9 mm2)兼容电极。该电极由于粘合力高(90 N/m),形成了无间隙界面,从而使电极实现超低电阻(≈20 kΩ)、高信噪比(>5:1)和低串扰,可检测到低至2.1%的肌肉最大自主收缩,并且能驱动假肢精确地抓住一根针。 

 

全文链接:

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

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