本文介绍了一项由Wang Xiang、Yan Xie、Yechao Han、Zhihe Long、Wanglinhan Zhang、Tianyan Zhong、Shan Liang、Lili Xing、Xinyu Xue和Yang Zhan等研究人员共同完成的研究，并于2022年发表在《Nanoscale》期刊上。这项研究来自多个机构，包括中国电子科技大学物理学院、四川省人民医院神经内科、中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所、脑连接图谱与调控重点实验室，以及香港城市大学机械工程系。研究团队开发并展示了一种创新的“自供能可穿戴脑机接口系统”，该系统旨在通过检测生理信号并施加脑刺激来实现行为干预，特别是“停止动作”。
这项研究属于生物医学工程、纳米技术和神经科学的交叉领域。其学术背景源于对传统行为干预方法（如长期药物治疗和大型医疗仪器）局限性的认识。传统方法存在耐药性、给药不便、设备笨重、依赖外部电源和维护复杂等问题。近年来，可穿戴电子设备在生物医学应用中受到广泛关注，其中可穿戴脑刺激设备被认为是建立人机接口、实现脑/行为干预的最有前景的手段之一。然而，现有系统的瓶颈之一在于其传统电源单元通常体积较大，佩戴不舒适，且需要外部电源和频繁维护。基于此，本研究团队旨在结合自供能技术和可穿戴脑机接口系统，开发一种无需外部电源、能够实时监测生理信息并同时刺激大脑以实现特定行为干预（如停止危险动作）的新型系统。研究的核心目标是实现一个集成了能量采集、生理信号（颈动脉脉搏）感知、数据分析与脑刺激输出的完整自供能闭环系统，并在动物模型上验证其强制停止动作的有效性。
该研究的详细工作流程包含几个主要环节：器件设计与制备、性能表征、人体运动测量以及体内动物行为实验。
首先，在器件制备方面，系统包含四个关键部分： 1. 颈动脉脉搏生物传感器：其核心是一层柔性的压电聚合物聚偏氟乙烯薄膜。该薄膜被封装在聚对苯二甲酸乙二醇酯中，然后嵌入到一个具有沟槽结构的聚二甲基硅氧烷外壳内。这种设计使传感器具有良好的柔韧性，能够贴合人体颈部皮肤，舒适地检测颈动脉搏动产生的机械振动。 2. 电源单元：由一个锆钛酸铅双晶片压电发电机、一个整流桥和一个150微法的电容组成。发电机可以附着在人体膝盖部位，将日常活动（如行走、跑步）的机械能转化为电能，并通过整流桥为电容器充电，从而为整个系统供电。 3. 数据分析模块：该模块负责读取脉搏传感器传来的生理信号，进行分析，并在脉搏频率达到预设阈值时，输出特定的脑刺激信号。 4. 脑刺激电极：采用镍铬合金丝制成的扭曲电极，用于将电刺激信号传递到大脑特定区域。
其次，在器件性能表征中，研究团队对传感器和发电机的性能进行了详细测试。他们使用扫描电子显微镜观察了PVDF薄膜的形貌，证实其表面均匀，厚度约为118微米。通过机械弯曲测试，他们验证了传感器的压电输出性能：在固定变形频率下，输出电压随弯曲角度增大而增加；在固定弯曲角度下，输出电压峰值在不同变形频率下保持基本稳定，而输出信号的频率与变形频率一致。这证明了该传感器能够将机械形变（如脉搏跳动）准确地转换为电信号，且信号幅度和频率分别与形变幅度和频率相关，适合作为反映脉搏率等生理信息的传感信号。稳定性测试表明，PVDF传感器在22天内输出信号几乎保持不变。对于PZT压电发电机，测试显示手动弯曲或志愿者跑步时能产生约13-16伏的峰值电压，并能在3分钟内将150微法电容器充电至10伏，证明了其有效收集人体运动能量并为系统供电的能力。
第三，在人体运动测量环节，研究团队将脉搏生物传感器佩戴在4名志愿者（2男2女）的颈部，测量了他们在静息、轻度运动（慢跑5分钟）和剧烈运动（蛙跳5分钟）状态下的脉搏信号。结果显示，无论是输出电压峰值还是信号频率（即脉搏率），都与运动强度呈正相关。例如，一名志愿者在三种状态下的脉搏率分别为72、96和108次/分钟。此外，传感器还被放置在喉咙、嘴部和手臂，分别用于检测语音、呼吸以及行走和跑步时的手臂摆动，证明了其检测多种生理和运动信号的潜力。
第四，核心部分是体内脑刺激实验。研究使用C57BL/6J小鼠作为实验对象，以验证系统对行为干预的效果。实验流程包括： 1. 动物准备与手术：将刺激电极植入小鼠的中脑导水管周围灰质区。PAG是已知的与恐惧调节相关的大脑区域。 2. 行为适应：小鼠被放置在跑轮上适应7天，每天30分钟。 3. 实验分组：将电极位置准确的小鼠随机分为电刺激组和对照组。电刺激组在跑步时接受PAG脑区的电刺激，对照组仅连接电极但不给予刺激。 4. 刺激参数：刺激信号为交流方波，振幅70微安，频率250赫兹，占空比50%，每次刺激包含25个双相脉冲。 5. 实验过程与数据记录：在测试阶段，小鼠被放置于跑轮。当小鼠开始奔跑时，对电刺激组施加刺激，并记录其从开始刺激到停止奔跑的时间（停止时间）、奔跑距离等数据。每组每只小鼠重复测试20次。
该研究取得了一系列明确的结果。在器件性能方面，成功制备了柔性、稳定的脉搏传感器和高效的能量收集单元，证明了系统自供能运行的可行性。人体测试结果证实了传感器能够可靠地区分不同运动强度下的生理状态，为设定干预阈值提供了依据。
最重要的结果来自动物行为实验。数据分析显示，电刺激组小鼠的奔跑行为受到了显著影响： * 停止时间：电刺激组小鼠每次奔跑的平均停止时间非常短，大约在2到5秒之间。而对照组小鼠的平均停止时间则在21到48秒之间，显著更长。 * 累积时间与距离：电刺激组小鼠20次奔跑的累积时间和累积奔跑距离都显著短于对照组。 这些数据强有力地表明，当小鼠的“运动状态”（在人体系统中由高脉搏率代表）触发系统时，对PAG脑区施加的电刺激能够有效地在短时间内迫使小鼠停止奔跑动作。这验证了该自供能脑机接口系统实现“强制停止动作”行为干预的有效性。
基于上述结果，研究得出结论：他们成功实现了一种集脉搏检测和脑刺激于一体的自供能可穿戴脑机接口系统，用于停止动作。该系统能够采集人体日常活动的运动能量为己供电，实时主动监测颈动脉脉搏，分析生理信息，并在达到阈值时输出脑刺激信号。通过在小鼠PAG脑区植入电极进行实验，证明了该系统能在极短的时间和距离内有效强制停止动作。这种无需外部电源的神经刺激方案为实现特定的行为干预提供了新概念，为未来人类疾病治疗和其他行为干预应用开辟了新途径。
本研究的亮点在于其高度的创新性与集成性： 1. 完整的自供能闭环系统：研究并非仅展示单个器件，而是构建了一个从能量采集、信号感知、数据处理到最终干预执行的完整闭环系统，且全部由采集的人体动能驱动，无需外部电池或电源，真正实现了“自供能”。 2. 新颖的应用概念：将自供能传感技术与脑机接口结合，用于实时生理监测驱动的即时行为干预，提出了一种预防危险或治疗疾病的新思路。 3. 有效的原理验证：通过严谨的小鼠实验，将颈动脉脉搏率这一生理指标作为系统触发条件的概念，映射到对PAG脑区的直接电刺激，并观察到了显著且一致的行为改变（停止奔跑），为概念提供了坚实的实验证据。 4. 柔性可穿戴设计：传感器采用柔性材料与结构设计，提高了佩戴舒适度和贴合性，更符合可穿戴设备的要求。
此外，研究还展示了该系统器件良好的稳定性和对不同生理信号（脉搏、呼吸、语音、肢体运动）的检测能力，暗示了其功能可扩展性。作者在讨论中也提到了该系统在未来用于治疗特定疾病（如帕金森病、调节心脏周期、癫痫等）、提高技能训练效率或帮助人们在危险场景下停止行动等方面的潜在应用价值。这项工作是向开发真正自主、可穿戴、用于实时健康监测与干预的智能系统迈出的重要一步。