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東華大學侯成義研究員等 ACS Nano：用于主動腦電交互的自適應皮膚界面材料

2022-10-28 來源：高分子科技

基于主動腦電的人機交互在多個領域展現出巨大的應用潛力。為了提高主動腦電交互的準確性，同時提高腦電信號采集質量，開發一種能夠自適應頭皮結構的界面材料至關重要。目前，大多數腦電采集用界面材料無法與頭皮結構完全貼合，導致了信號質量的降低；同時，腦電帽的存在也使得人機交互的應用場景受到了限制。

東華大學侯成義研究員等人（http://pilab.dhu.edu.cn/afmg）提出了一種自適應皮膚界面材料并利用其高效采集主動腦電信號，演示了在“腦-腦”、“腦-機”交互中的應用。成果以“MXene-Enabled Self-Adaptive Hydrogel Interface for Active Electroencephalogram Interactions”為題發表在ACS Nano期刊，東華大學材料科學與工程學院博士生羅加貝為本文第一作者。

圖1 PAAS-MXene的機理及性能

現有腦電采集方法需要腦電帽與導電膏配合使用，然而導電膏的低流動性使其與頭皮的貼合質量不佳，腦電帽的佩戴也影響了日常使用的便捷性與美觀性。研究團隊利用PAAS基離子導電凝膠預聚液良好的流動性使其快速適應頭皮結構，并利用MXene作為交聯劑使該界面材料（PAAS-MXene）在五秒內快速固化于皮膚表面。該方法使得電極與皮膚界面阻抗得到了明顯的降低，從而提高了生物電信號采集的質量。PAAS-MXene表現出優異的電學性能，包括出色的極化電位穩定性（<6.5×10^-4 V/min）、在生理相關頻率下極低的阻抗（<50 Ω）、以及穩定的電學性能（離子電導率與阻抗在拉伸1000次后變化微弱），這些都有利于生物電信號的采集。

圖2 PAAS-MXene的主動腦電采集與交互示意圖和應用方法

PAAS-MXene具有良好的皮膚粘性，因此無需腦電帽進行固定。在無帽式腦電采集實驗中，利用PAAS-MXene采集腦電信號實現了比現有腦電帽方法更好的信號采集結果。

圖3 基于PAAS-MXene的交互系統及其應用演示

基于此，作者提出了一套完整的主動腦電實時交互方案，利用大腦進行特定思考所產生腦電信號的特異性，通過主動意識輸出指令信號，由此控制昆蟲的飛行、人工肌肉的收縮以及智能眼鏡的變色。與現有基于腦電帽的電極材料與測試方法相比，本工作報道的PAAS-MXene皮膚界面材料對主動腦電指令識別的準確度顯著提高。

近年來，研究團隊在光電子纖維、人機交互、智能服裝等領域取得了系列進展（Adv. Mater. 2021, 33, 2104681. Adv. Mater. 2021, 33, 2100782. Adv. Mater. 2021, 33, 2007352. Nat. Commun. 2019, 10, 5541. Nat. Commun. 2019, 10, 868. ACS Nano 2022, 16, 2188. ACS Nano 2022, 16, 12635. ACS Nano 2018, 12, 3759. Science, 2019, 365, 150.）。長期歡迎材料、信息、紡織、服裝等領域的博士后、博士研究生、碩士研究生加入！

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c08961

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（責任編輯：xu）

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