可穿戴電子設(shè)備的最新技術(shù)創(chuàng)新為實時監(jiān)測電生理參數(shù)（如ECG、EMG 和 EEG）提供了可能性。電生理電極作為生物世界與信息世界之間溝通的橋梁，將生物組織的離子信號轉(zhuǎn)換為電信號，這在現(xiàn)代生物醫(yī)學研究中引起了廣泛關(guān)注。為了實現(xiàn)準確和長期的電生理測量，理想的電極應具備以下特性：優(yōu)異的生物相容性、保形附著、用戶友好、長期穩(wěn)定性和低的皮膚-電極阻抗，以保證信號靈敏度和可靠性。省科學院半導體研究所胡川教授團隊在皮膚-電極界面的有關(guān)問題研究已取得很大進展，但與汗液相關(guān)的挑戰(zhàn)尚未完全解決。

　　排汗是人類進行體溫調(diào)節(jié)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(zhì)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?nèi)?，導致電極易和皮膚發(fā)生相對滑動產(chǎn)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(huán)境等出汗過多的情況時，織物電極的排汗能力則表現(xiàn)地過于吃力。

　　圖1 受水鳥錐形喙啟發(fā)的汗液定向排出柔性電生理電極

　　水的定向傳輸是自然界普遍存在的現(xiàn)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(xiàn)象的啟發(fā)，研究開發(fā)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(jié)構(gòu)和孔內(nèi)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(fā)地將汗水從AuNWs側(cè)吸到NC側(cè)，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(jiān)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(fā)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(zhì)量。

　　隨后，研究將該電極與電路模塊、高級算法和人機界面集成，開發(fā)了一個基于EMG信號的肌肉活動強度可視化系統(tǒng)。該EMG監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)在康復治療和運動訓練等方面具有巨大潛力，值得注意的是，本課題為下一代皮膚可穿戴電子設(shè)備的皮膚界面問題提出了新的解決思路。

　　圖2 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

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Advanced Materials Technologies》，該研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目、廣東省科學院建設(shè)國內(nèi)一流研究機構(gòu)行動專項資金項目的支持。

　　論文題目：A Bioinspired Sweat-Drainable Janus Electrophysiological Electrode for Scientific Sports Training

　　鏈接： https://doi.org/10.1002/admt.202200040

　　（省科學院半導體所 凌云志/供稿）