近年來，隨著生理電信號在輔助醫(yī)療、科學訓練及神經(jīng)科學研究等的領(lǐng)域的不斷深入和廣泛應用，可穿戴柔性電極成為了眾多學者的研究焦點。非侵入式柔性電極能夠?qū)⑷梭w內(nèi)部的離子電信號轉(zhuǎn)換為電子元器件可讀取的電子信號，成為了連接這兩者的橋梁。然而如何實現(xiàn)高質(zhì)量信號的采集、實現(xiàn)不同皮膚狀態(tài)下的長時間穩(wěn)定粘附及提高長時間穿戴舒適性，是阻礙柔性電極應用的研究難點。盡管已有研究團隊提出了許多能提高粘附力與增加透氣性的結(jié)構(gòu)，但仍舊難以實現(xiàn)穩(wěn)定粘附性、低界面阻抗和高透氣性的有機統(tǒng)一。因此，開發(fā)一款兼具高透水透氣性和粘附穩(wěn)定性的柔性電極十分必要。
近期，西安交通大學邵金友、田洪淼團隊提出了一種仿樹蛙腳蹼的非侵入式柔性可穿戴電極，用于生理電信號的長時間連續(xù)監(jiān)測。該柔性電極是使用摩方精密nanoArch® S130(精度：2μm)高精度3D打印設(shè)備加工模具后使用導電復合材料翻模制備而成。相關(guān)研究成果以“Treefrog-Inspired Flexible Electrode with High Permeability, Stable Adhesion, and Robust Durability"發(fā)表在《Advanced Materials》上，西安交通大學蘭天翔博士為論文的第一作者，西安交通大學邵金友教授和田洪淼教授為共同通訊作者。
該柔性電極的設(shè)計靈感來源于紅蹼樹蛙腳蹼表面的分散六邊形柱狀結(jié)構(gòu)及深層的粘液腺。六邊形分散柱狀結(jié)構(gòu)可以將大液橋分散為多個小液橋，從而大幅提高樹蛙腳蹼與各種表面之間的粘附力；分布于六邊形柱狀結(jié)構(gòu)間隙的粘液腺，則可使得粘液在樹蛙腳蹼間均勻分散，這兩種結(jié)構(gòu)共同實現(xiàn)了樹蛙在多種表面的穩(wěn)定黏附。
結(jié)合此兩種結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計了一種兼具高透水透氣性、穩(wěn)定粘附性及長時間耐用性的柔性可穿戴電極。該電極可分為上下兩層：下層為分散柱狀結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)高效而穩(wěn)定的電極-皮膚界面接觸（接觸面積/總面積相較于平膜提升了近一倍）、低界面阻抗（面積標準化阻抗與商用Ag/AgCl凝膠電極相近）及穩(wěn)定附著（在干/濕條件下的粘附力相較于無結(jié)構(gòu)電極提升了2.79/13.16倍）；上層為參照鳥喙和粘液腺設(shè)計的改進錐孔結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)人體皮膚表面排泄物定向搬運，從而提高了該電極的透水透氣性（正向透氣性相較于棉紡織物提升近12倍，透水性相較于3M醫(yī)用敷料提升了40倍以上）。該仿生電極在粘附穩(wěn)定性、透水透氣性和耐用性等方面都具有顯著的優(yōu)勢。
首先，研究團隊通過理論推導和仿真計算的方式得到了錐孔結(jié)構(gòu)設(shè)計的合適參數(shù)區(qū)間，并將該結(jié)構(gòu)的設(shè)計與電極底面分散柱狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計解耦，大幅降低了分散柱狀結(jié)構(gòu)設(shè)計的復雜度。
底面離散化結(jié)構(gòu)除了能實現(xiàn)高效而穩(wěn)定的界面接觸之外，還能有效降低汗腺的被堵塞率，從而避免排泄物的局部堆積導致的粘附效果降低。為此，研究團隊采用圖像處理技術(shù)及離散優(yōu)化設(shè)計方法，量化計算了全部三種可單一平面密鋪正多邊形柱狀結(jié)構(gòu)在不同尺寸參數(shù)下的最大汗腺堵塞率（最大堵塞率越小代表該電極在濕潤條件下的粘附越可靠）及理論有效面積（該值會影響接觸阻抗進而影響采集的信號質(zhì)量），并在綜合考慮這兩者之間的矛盾關(guān)系后，制造了優(yōu)化設(shè)計的柔性可穿戴電極。
在設(shè)計完成電極的微觀結(jié)構(gòu)之后，研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)加工了具有良好一致性的樹脂模具，并通過模塑工藝制造出了仿生電極和只含有錐孔的電極（對比組）。仿生電極相較于對比組的干/濕粘附力提升了2.79/13.16倍，實現(xiàn)了在干/濕環(huán)境下的穩(wěn)定附著。
之后，研究團隊還測試了該仿生電極的正向和逆向水蒸氣透過率，該電極的正向/逆向水蒸氣透過率相較于棉織物提升了近12/6倍，實現(xiàn)了較好的透氣性能。
最后，研究團隊采集了多種生理電信號，并對其進行了分析。該仿生電極采集出的生理電信號質(zhì)量可與商用Ag/AgCl凝膠電極相媲美，并且長時間使用下安全性和穩(wěn)定性性均優(yōu)于商用Ag/AgCl凝膠電極。相較于已報道文獻，本文所提出的仿生電極在機械性能、電學性能及電極性能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的均衡性能。
綜上所述，本研究提出的基于樹蛙腳蹼的仿生電極可以實現(xiàn)在干/濕皮膚表面的穩(wěn)定粘附，且兼具高透水透氣性、長時間穿戴舒適性及穩(wěn)定的低接觸阻抗等優(yōu)點，有望促進生理電信號長時間持續(xù)檢測的廣泛應用。
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