從海星管足得到啟發(fā)，新型電極滿足水下肌電信號采集需求

在海洋深處，人類對水下環(huán)境的探索和利用正日益增加。水下肌電信號的檢測與分析，對于水下康復(fù)訓(xùn)練、潛水員安全監(jiān)測等活動至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)肌電電極在水下應(yīng)用時，由于電極與皮膚之間的水合層，常常導(dǎo)致信號采集不穩(wěn)定。導(dǎo)電水凝膠因其高含水量、良好的生物相容性等特性，被認(rèn)為是理想的肌電電極材料。但大多數(shù)水凝膠在水下容易溶脹，影響其性能，難以滿足水下肌電信號采集的需求。

在這樣的背景下，科學(xué)家們從海星的管足中得到靈感，海星能夠在水下巖石上行走，得益于其管足的扁平吸盤狀結(jié)構(gòu)和粘附蛋白。受此啟發(fā)，研究人員設(shè)計了一種新型的肌電電極，這種電極包括外部的硅膠吸盤、內(nèi)部的微溶脹水凝膠和銀/氯化銀電極底座。這種設(shè)計通過硅膠吸盤隔離外部水環(huán)境，利用水凝膠的微溶脹特性和吸盤的相互作用，增強(qiáng)了電極與皮膚的接觸，滿足了水下肌電信號采集的需要。

研究人員首先合成了一種具有抗溶脹性能的水凝膠，這種水凝膠在聚合物骨架上形成了氫鍵網(wǎng)絡(luò)，賦予了其在水下長時間工作的能力。實驗表明，這種水凝膠具有類似皮膚的楊氏模量和低皮膚接觸阻抗，保證了信號的高質(zhì)量采集。

為了驗證這種新型電極的性能，研究人員進(jìn)行了力學(xué)仿真模擬和實驗驗證。通過有限元分析和實驗，研究了吸盤與凝膠下壓時對皮膚的壓力和力學(xué)行為。結(jié)果表明，水凝膠溶脹時與吸盤的內(nèi)壁完全接觸，增加了整體頂部應(yīng)力，同時皮膚上的應(yīng)力分布更均勻，接觸面積增加，有利于肌電信號的記錄。

在實際應(yīng)用中，這種新型電極與采集系統(tǒng)相連，進(jìn)行了水下肌電信號采集測試。測試結(jié)果表明，由于電極能夠隨著凝膠溶脹不斷增進(jìn)與皮膚的接觸，因此能夠保持高質(zhì)量的肌電信號。與其他電極相比，這種新型電極具有高信噪比、低基線噪聲的優(yōu)勢，即使在水下電機(jī)工作環(huán)境中也能保持高信號質(zhì)量。

這項研究成果已經(jīng)發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，由西北工業(yè)大學(xué)的葉元茗、王騰蛟副教授和吉博文副教授共同完成。這項研究不僅為水下肌電信號的采集提供了新的解決方案，也為水下生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的發(fā)展開辟了新的道路。隨著科技的不斷進(jìn)步，我們可以預(yù)見，這種仿生學(xué)的電極設(shè)計將在水下領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，為人類探索海洋、保護(hù)海洋、利用海洋提供更加強(qiáng)大的技術(shù)支持。