随着對水下場景的日益關注，實時檢測和分析水下肌電信号對水下康複、水下訓練和潛水員安全監測等領域具有重要意義。然而，傳統肌電電極由于電極和皮膚之間存在水合層易引起脫附，在水下應用性能有限。導電水凝膠由于其高含水量、低機械模量、良好的化學和生物相容性，以及高可調性，成為備受關注的可穿戴肌電電極材料。然而，大多數水凝膠在水下存在嚴重的溶脹行為，導緻其三維網絡結構失效，導電組分喪失，面臨機械強度和韌性降低、導電性差、皮膚粘附性低等挑戰，無法滿足水下肌電信号采集的需求。此外，現有的水下肌電電極主要通過手臂記錄肌電信号，而腕部采集更符合穿戴習慣，并且能夠揭示更豐富的手部精細運動資訊。
在海洋中，海星能夠利用其管足在水下的岩石上行走，即連續粘附和脫離。其中海星綱動物的管足具有扁平的吸盤狀結構，通過分泌粘附蛋白實作水下粘附。是以，本工作中設計了一種受海星管足結構啟發的STFH電極，包括外部矽膠吸盤、内部微溶脹水凝膠和Ag/AgCl電極底座。微溶脹水凝膠DAT的制備包括DMAEA-co-AA水凝膠的合成、冷凍幹燥、以及在TA溶液中浸泡改性三個步驟。防水矽膠吸盤部分隔離了外部水環境和水凝膠，通過負壓以及利用水凝膠的微溶脹與吸盤的互相作用增強電極與皮膚的水下接觸，以滿足水下持續高品質采集肌電信号的需求。
圖1. 仿海星管足水下肌電電極設計示意圖首先探究了最優浸泡TA溶液濃度，從機械性能、粘附性能、導電性能和抗溶脹性能四個方面進行表征。DAT-200（即200 mg/ml TA溶液）綜合性能最優，TA沉積在聚合物骨架上，與原有聚合物網絡形成氫鍵網絡，賦予DAT水凝膠抗溶脹性能，為水下長時間工作提供基礎。其中，DAT-200具有類皮膚的楊氏模量（22.4 kPa）在10 Hz處具有低皮膚接觸阻抗（18.3 kΩ）。
圖2. DAT水凝膠的電學性能與抗溶脹性能。a) DAT水凝膠的離子電導率，b) DAT水凝膠的皮膚接觸阻抗，c) 10 Hz和100 Hz下DAT水凝膠和商用凝膠的接觸阻抗，d) DAT水凝膠和商用凝膠接觸阻抗的Nyquist圖，e) DAT水凝膠與原始水凝膠的溶脹率，f) DAT水凝膠與原始水凝膠的溶脹情況，g) 浸泡一小時前後DAT水凝膠的剪切強度，h) 浸泡一小時前後DAT水凝膠的離子電導率，i) 浸泡一小時前後DAT水凝膠的壓縮模量。其次，通過力學仿真模拟驗證微溶脹凝膠與外部吸盤互相作用對皮膚接觸的促進作用。通過有限元分析和相關實驗，研究了在幹燥和膨脹狀态下吸盤與凝膠下壓時對皮膚的壓力和力學行為，模拟結果與實驗資料吻合良好。水凝膠溶脹時完全接觸吸盤的内壁，整體頂部應力增加，應力集中減弱。同時，皮膚上的應力分布更均勻，且水凝膠和皮膚之間的接觸面積增加，有利于肌電信号的記錄。
圖3. 電極下壓過程力學仿真模拟。a) 幹燥狀态下的模拟模型，b) 幹燥狀态壓縮時的 Von Mises 應力分布以及電極的照片，c) 壓縮時皮膚接觸區域的應力分布以及豬皮的照片，d) 溶脹狀态下的模拟模型，e) 溶脹狀态壓縮時的 Von Mises 應力分布以及電極的照片，f) 溶脹時皮膚接觸區域的應力分布以及豬皮的照片，g) 幹燥狀态在水凝膠上沿标記路徑選擇節點，h) 溶脹狀态在水凝膠上沿标記路徑選擇節點，i) 水凝膠壓力-位置分布圖。最後将STFH電極與OpenBci采集系統相連，用于水下肌電信号采集測試，并且将STFH電極與純DAT-200凝膠電極、商用3M電極進行對比。在水下連續記錄1小時後，由于電極能夠随着凝膠溶脹不斷增進與皮膚的接觸，是以能夠保持高品質的肌電信号，與其他電極相比具有高信噪比、低基線噪聲的優勢。此外，STFH電極具有抗波浪噪聲能力，在水下電機工作環境中仍能保持高信号品質。是以，STFH電極能夠實作穩定的水下肌電信号采集，未來有望與無線、小型化、便攜式、防水肌電采集系統內建，以滿足水下康複、水下訓練等更多實際水下場景需求。
圖4. 水下 sEMG 信号采集以及采集系統內建。a) 水下 sEMG 信号采集實驗裝置，b) 商業電極、DAT-200 水凝膠電極和STFH電極在 1 小時内記錄的 sEMG 信号，c) STFH電極記錄的 sEMG 信号的時頻圖，d) 不同電極在不同工作時長下的SNR和 e) 基線噪聲，f) 水下電機噪聲幹擾實驗裝置，g) 三種電極記錄的 sEMG 信号以及 h)幹擾下的SNR，i) 将STFH電極與魔術貼、博睿康無線肌電采集系統內建，j) 與自研無線肌電采集腕帶內建。以上成果近期以“Starfish tube feet inspired hydrogel electrode for durable underwater sEMG acquisition”為題，發表在《Chemical Engineering Journal》期刊。第一作者為西北工業大學大學生葉元茗；通訊作者為西北工業大學王騰蛟副教授和吉博文副教授。
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153882來源：高分子科學前沿