清华大学团队开发超薄仿生离子导电电极用于表皮电生理信号采集与人机交互

作者及发表信息
该研究由清华大学深圳国际研究生院Likun Zhang、Zhenglin Chen等20位研究者共同完成，通讯作者为Peiwu Qin、Chenggang Yan、Jiansong Ji和Zhenglin Chen。研究成果发表于开放获取期刊*Exploration*（2024年1月28日接收，DOI:10.1002/exp.20240232），得到中国国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会等多项资助支持。

学术背景
研究聚焦柔性电子领域，旨在解决表皮电生理信号（如ECG心电图、EMG肌电图、EEG脑电图）长期稳定采集的挑战。传统金属干电极因延展性和粘附性不足易产生运动伪影，而水凝胶湿电极存在脱水失效问题。受皮肤力学特性（非线性应力-应变关系、自修复性）启发，团队提出基于低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）和两性离子（Zwitterion）的仿生离子导体电极（CEAB），目标开发兼具高导电性、机械相容性及动态稳定性的新型表皮电极。

研究流程与方法
1. 材料设计与制备
- 配方开发：以氯化胆碱（ChCl）和乙二醇（EG）为DES基础，加入丙烯酸（AA）构建导电框架，甜菜碱（Betaine）作为两性离子交联剂，通过紫外光聚合形成CEAB薄膜。
- 厚度调控：通过压力扩散法精确控制薄膜厚度（3.55–500 µm），采用PET支撑膜与硅油脱模技术实现超薄结构（最薄3.55 µm）的完整剥离。
- 表征验证：SEM/AFM显示表面粗糙度<10 nm；FTIR证实氢键与离子对形成；TGA/DSC证明热稳定性（分解温度240°C）与低温柔性（Tg<-60°C）。

1. 力学与电学性能测试

   • 仿生力学：CEAB薄膜杨氏模量（3.23–59.74 kPa）与皮肤匹配，应变硬化特性模拟皮肤保护机制，延展性达800%。
     
   • 自修复与粘附性：10分钟内实现切口愈合（静电相互作用与氢键驱动），界面剥离韧性5–20 J/m²，剪切强度63 kPa（优于商用胶带）。
     
   • 导电稳定性：在-25°C至60°C范围内保持高导电性（25°C时1.33 mS/cm），湿度升高20%可提升电导率20.3%。

2. 生物相容性与表皮适配性

   • 细胞实验：NIH3T3细胞培养证实CEAB无细胞毒性（CCK-8存活率>95%）。
     
   • 皮肤贴合：3.55 µm薄膜可精确复现指纹微结构（SEM验证无气隙），水蒸气透过率（50%）显著高于PDMS（<10%）。

3. 电生理信号采集验证

   • 性能对比：与Ag/AgCl电极相比，CEAB电极皮肤接触阻抗降低66%（100 Hz时9.83 kΩ vs 288.07 kΩ），运动状态下ECG信噪比（SNR）提升58.5%（29.9 dB vs 18.8 dB）。
     
   • 动态监测：成功捕获12小时EEG信号，FFT分析显示β波强度与运动状态正相关；面部EMG采集时基线噪声降低33.6%。

4. 临床应用与算法集成

   • 抑郁检测：基于单通道EEG开发机器学习模型（随机森林准确率92.91%），识别δ波低均值与γ波高值作为抑郁生物标志物。
     
   • 人机交互：结合CNN算法实现手势分类（准确率99.78%），驱动机械臂复现“六”等手势（延迟150 ms）。

主要结果与逻辑关联
- 材料创新：CEAB的仿生设计解决了传统电极机械-电学性能不可兼得的矛盾，其超薄特性（3.55 µm）通过压力扩散法制备工艺实现，为后续表皮适配奠定基础。
- 动态稳定性：低阻抗与高粘附性使运动伪影减少，支撑了长期ECG/EMG监测的可靠性，进而为临床膝跳反射测试（图6a）提供高保真信号。
- 算法扩展：高质量EEG信号使抑郁分类模型特征提取（如注意力均值、γ波段）成为可能，而EMG手势识别精度直接依赖于CEAB的低噪声特性。

结论与价值
1. 科学价值：提出“DES-两性离子”协同导电机制，为仿生电子皮肤设计提供新范式。
2. 应用前景：可作为抑郁筛查的便携式EEG头带核心部件，或瘫痪患者机械义肢控制的EMG接口。
3. 技术突破：厚度可控制备工艺（专利潜力）、抗冻/保湿特性（-30°C仍柔性）及自修复能力延长器件寿命。

研究亮点
- 超薄仿生设计：全球最薄离子电极（3.55 µm）兼具皮肤力学特性与高导电性。
- 多场景验证：覆盖从基础物性到临床抑郁检测、人机交互的全链条应用。
- 算法融合：首次实现单通道EEG抑郁分类与实时手势控制的CNN模型集成。

其他价值
该研究公开了CEAB详细配方（摩尔比ChCl:EG:AA:Betaine=2:4:4:1）与制备流程，为柔性电子领域提供可复现方案。数据集可通过通讯作者申请获取，符合开放科学趋势。