高保真度和舒適的電生理（EP）信號(hào)記錄，以及即時(shí)設(shè)置，對(duì)于醫(yī)療保健和人機(jī)接口（HMIs）至關(guān)重要。微針電極允許直接接觸表皮，消除了耗時(shí)的皮膚準(zhǔn)備。然而，現(xiàn)有的微針電極缺乏彈性和可靠性，這對(duì)于在身體運(yùn)動(dòng)期間實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、高質(zhì)量的電生理傳感構(gòu)成了挑戰(zhàn)。
為解決上述問題，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（Korea Advanced Institute of Science and Technology）和美國(guó)科羅拉多大學(xué)波爾德分校（University of Colorado Boulder）介紹了一種可伸縮的微針膠粘貼片（SNAP），它提供了出色的皮膚穿透性和強(qiáng)大的電機(jī)械皮膚接口，適用于在不同皮膚條件下進(jìn)行持久且可靠的電生理監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，SNAP能夠在皮膚污染下顯著降低皮膚接觸阻抗，并在運(yùn)動(dòng)期間提高佩戴舒適度，優(yōu)于凝膠和柔性微針電極（FME）。此外，這種無線SNAP可以用于外骨骼機(jī)器人控制，顯示了其在時(shí)間動(dòng)態(tài)皮膚條件下實(shí)現(xiàn)高度可靠人機(jī)接口的潛力。展望未來，SNAP將為可穿戴電生理傳感及其在人機(jī)接口中的現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用開辟新的機(jī)會(huì)。該研究以“Skin preparation–free, stretchable microneedle adhesive patches for reliable electrophysiological sensing and exoskeleton robot control”為題發(fā)表在《Science Advances》期刊上。
SNAP的設(shè)計(jì)與工作原理
圖1描述了SNAP的整體系統(tǒng)配置和應(yīng)用，以及其工作原理。SNAP的柔性、組織適應(yīng)性微針陣列能夠穿透角質(zhì)層直接接觸表皮，從而無需痛苦和皮膚準(zhǔn)備即可進(jìn)行高質(zhì)量的電生理信號(hào)采集。此外，圖1還強(qiáng)調(diào)了SNAP在適應(yīng)組織拉伸方面的能力，這通過其在皮膚變形時(shí)的機(jī)械特性得到了證明。通過實(shí)驗(yàn)和有限元分析（FEA）的結(jié)果，可知SNAP能夠在人類皮膚的最大拉伸范圍內(nèi)（約30%）拉伸，且相對(duì)電阻變化微不足道（<5%），并且金屬軌跡的最大主應(yīng)變僅為1.8%。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了SNAP在電氣和機(jī)械可靠性方面的卓越性能，尤其是在超過人類皮膚典型耐受度（10至20%）的應(yīng)變水平上。總的來說，SNAP的獨(dú)特設(shè)計(jì)，將穿透性微針陣列與組織適應(yīng)性彈性電極相結(jié)合，能夠在各種皮膚條件下提供舒適且高度可靠的電生理信號(hào)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，且受到的干擾最小。
SNAP的制造、材料和機(jī)械性能
圖2展示了SNAP的制造過程、材料特性和機(jī)械性能。這些圖像包括了完成的SNAP設(shè)備的光學(xué)圖像，顯示了其可伸縮的蛇形互連和金（Au）涂層的微針陣列與電氣導(dǎo)電膠（ECA）層。通過這些圖像，研究者們說明了SNAP確保了直接、生物相容的表皮接觸，同時(shí)通過ECA層保持了強(qiáng)大的粘附性、高彈性和低接觸阻抗。此外，通過碘化處理的銀（Ag）片表面粗糙化，提高了ECA的導(dǎo)電性。這些特性使得SNAP在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中保持穩(wěn)定的皮膚接觸阻抗，即使在30%應(yīng)變下，接觸阻抗的增加也小于5千歐姆·平方厘米。這些結(jié)果表明SNAP能夠在皮膚變形下保持穩(wěn)定的電氣性能，并且其生物相容性和透氣性能也得到了驗(yàn)證。總的來說，SNAP的生物相容性、透氣性和機(jī)械特性表明，它能夠?yàn)橛脩籼峁┦孢m且對(duì)皮膚友好的界面，同時(shí)保持與皮膚的緊密接觸。
貼體式SNAP的電氣特性
圖3描述了SNAP在皮膚上的電氣特性。這些圖像和圖表包括了SNAP與其他電極類型（如凝膠電極、ECA電極和FME電極）在電極-皮膚界面的電路模型比較，以及在不同頻率下電極-皮膚接觸阻抗的變化。圖3還展示了在不同皮膚條件下（如出汗、死皮細(xì)胞、頭發(fā)和污垢）使用不同電生理傳感器測(cè)量的皮膚接觸阻抗的標(biāo)準(zhǔn)差（SD）。此外，還包括了SNAP和FME在皮膚壓縮和拉伸時(shí)的機(jī)械適應(yīng)性的視覺比較，以及在單軸皮膚應(yīng)變下微針對(duì)周圍皮膚組織引起的機(jī)械應(yīng)力的有限元分析（FEA）結(jié)果。還提供了在不同拉伸應(yīng)變下SNAP和FME的皮膚接觸阻抗的測(cè)量結(jié)果，以及SNAP和FME在循環(huán)拉伸和釋放過程中的基線噪聲水平的比較。最后，圖3還包括了SNAP和FME在循環(huán)拉伸和釋放后皮膚表面的視覺圖像，以及在8天內(nèi)使用SNAP、ECA和商業(yè)凝膠電極測(cè)量的基線噪聲水平的比較。通過這些結(jié)果，得出的結(jié)論是SNAP在皮膚變形和皮膚分泌物的影響下，能夠顯著降低組織應(yīng)力和皮膚接觸阻抗，同時(shí)保持穩(wěn)定的基線噪聲水平，這表明SNAP在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中提供了高保真度的電生理信號(hào)測(cè)量能力，并且對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影具有良好的免疫力。
無線SNAP系統(tǒng)，用于在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)期間進(jìn)行可靠的肌電圖監(jiān)測(cè)
圖4描述了無線SNAP系統(tǒng)在各種動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行肌電圖（EMG）監(jiān)測(cè)的性能。這些圖像和圖表包括了無線SNAP系統(tǒng)的爆炸視圖示意圖，展示了其可伸縮的無線電生理信號(hào)處理電路和可拆卸的鋰聚合物（LiPo）電池，這些組件被柔軟、生物相容的彈性體包裹。還展示了設(shè)備在拉伸和扭曲時(shí)的機(jī)械順應(yīng)性，以及在不同類型動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)（如行走、跑步、跳躍和深蹲）期間使用貼片式設(shè)備集成凝膠電極和SNAP進(jìn)行的EMG記錄。此外，還包括了在不同皮膚條件下（如預(yù)處理和污染皮膚）的EMG信號(hào)質(zhì)量記錄，包括基線噪聲幅度、信噪比（SNR）值和基線噪聲幅度。通過這些結(jié)果，可知無線SNAP系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中提供了高質(zhì)量的EMG信號(hào)，其基線噪聲水平在各種運(yùn)動(dòng)和皮膚條件下都得到了顯著的抑制，并且對(duì)運(yùn)動(dòng)偽影的敏感性極低。這表明無線SNAP系統(tǒng)在健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練、肌肉骨骼康復(fù)和人機(jī)接口等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。
使用無線SNAP系統(tǒng)的外骨骼機(jī)器人閉環(huán)肌電圖控制應(yīng)用演示
圖5描述了使用無線SNAP系統(tǒng)作為人機(jī)界面（HMI）來實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人的閉環(huán)EMG控制。這些圖像和圖表包括了外骨骼機(jī)器人的系統(tǒng)架構(gòu)和控制策略的說明，以及使用無線SNAP系統(tǒng)進(jìn)行智能假肢、手動(dòng)勞動(dòng)輔助和其他HMI領(lǐng)域的外骨骼機(jī)器人控制的硬件配置。還展示了在蹲舉和彎腰舉重過程中，通過SNAP系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的EMG信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量，以及在有和沒有機(jī)器人輔助的情況下，背部肌肉活動(dòng)（RMS EMG）的比較。結(jié)果表明，SNAP系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)人機(jī)接口操作中提供了強(qiáng)大的感應(yīng)接口，即使在皮膚出汗和變形的情況下，也能保持穩(wěn)定。此外，配備SNAP系統(tǒng)的外骨骼機(jī)器人在減輕肌肉疲勞方面表現(xiàn)出積極影響，強(qiáng)調(diào)了其在協(xié)助需要幫助搬運(yùn)重物的個(gè)體方面提高功能性移動(dòng)性的潛力。總的來說，將一個(gè)無需準(zhǔn)備、低輪廓和無線的電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成到輔助外骨骼機(jī)器人中，為人機(jī)接口，特別是在無線假肢控制領(lǐng)域，提供了一個(gè)有前景的解決方案，有助于人體的物理增強(qiáng)。
綜上所述，該研究探討了SNAP的概念和設(shè)計(jì)策略，用于無需皮膚準(zhǔn)備的長(zhǎng)期電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)。具有剛性微針的電生理傳感器能夠輕松穿透皮膚，但可能導(dǎo)致皮膚刺激和皮疹等副作用，因?yàn)闄C(jī)械不匹配；而具有軟性微針的傳感器能夠適應(yīng)組織動(dòng)態(tài)，但可能妨礙強(qiáng)健且均勻的皮膚穿透，這對(duì)獲取高質(zhì)量的電生理信號(hào)構(gòu)成挑戰(zhàn)。SNAP的剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)，包括可穿透的剛性微針陣列和一個(gè)柔軟、可伸縮的粘附平臺(tái)，展示了獨(dú)特的特性，如通過角質(zhì)層直接接觸表皮和組織適應(yīng)性。這些特性不僅確保了對(duì)皮脂分泌和污染的高度免疫，還提供了長(zhǎng)時(shí)間舒適的佩戴體驗(yàn)。帶有ECA（電氣導(dǎo)電膠）的SNAP提供了改進(jìn)的堅(jiān)固皮膚界面，由于其高導(dǎo)電性和粘附性，與商業(yè)凝膠電極相比，其運(yùn)動(dòng)偽影和基線噪聲顯著降低。通過無線閉環(huán)操作的外骨骼機(jī)器人與SNAP系統(tǒng)的演示，進(jìn)一步驗(yàn)證了該設(shè)備在復(fù)雜、現(xiàn)實(shí)世界的人機(jī)界面（HMI）應(yīng)用中的實(shí)用價(jià)值。為了廣泛部署，需要研究適合大規(guī)模生產(chǎn)的新材料和更簡(jiǎn)單的制造方法，以降低當(dāng)前依賴微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）過程的制造成本和復(fù)雜性。此外，開發(fā)具有剛度可調(diào)微針的可伸縮電極，這些微針在穿透皮膚時(shí)是剛性的，之后變得柔軟以適應(yīng)組織，對(duì)于完全消除微針-皮膚界面的機(jī)械不匹配至關(guān)重要，確保長(zhǎng)時(shí)間佩戴的舒適感。
