研究背景
肌電圖是一種電診斷醫學技術，用于保存骨骼肌活動產生的電信號并評估肌肉性能。當手部運動刺激肌肉細胞時，可產生肌肉電位，然后通過皮膚傳感器進行檢測。通過分析肌電信號的特征可以實現手勢識別，從而為機器人遠程操作提供信息。機器人想要與人類協作或模仿人類動作，需要各種柔性傳感器。作為皮膚傳感器的柔性皮膚電極被用作人機接口，為機器人和用戶之間的互動提供了機會。然而，皮膚附著力低的傳統電極限制了其在人助機器人中的應用。最近，由不含電解質凝膠的干性材料制成的皮膚電極具有良好的伸展性、在干枯表面的附著力強、界面阻抗低等特點，可用于實現電生理信號的采集。此外，研究人員還證明，干電極的信號采集能力與Ag/AgCl的商用凝膠電極相當。然而，在皮膚出汗等潮濕條件下濕電極比沒有電解質凝膠的干電極具有更高的附著力。在水下環境中進行日常活動時，濕電極可緊貼皮膚表面，避免電極因潮濕條件而從皮膚上脫落。因此，電極被大量用于實現長期電生理傳感。
最近，一種導電水凝膠被證明是一種類似于人體皮膚的優良材料，并被開發和集成到電子設備中。然而，由于需要在保持理化特性的同時具有高導電性和良好的粘附性，開發用于皮膚電極的導電水凝膠仍是一項挑戰。由于不均勻水凝膠網絡的固有弱點，以往的大多數導電水凝膠都無法維持循環多次加載-卸載循環。為了提高導電水凝膠的可拉伸性和耐用性，人們開發了各種策略。然而，沒有高附著力的水凝膠傳感器很難使用，因為它需要使用膠帶或捆綁繃帶附著在人體皮膚或機器人表面，這給運動監測帶來了不便。人們還采用了各種方法來改善水凝膠的粘附性，例如，利用生物啟發的核糖酶法開發粘附性水凝膠這種水凝膠不僅對許多干燥物體，而且對潮濕的生物組織都表現出良好的粘附性。水凝膠體系中使用了鐵-殼聚糖復合物，實現了高性能殼聚糖-PAAM雙網絡水凝膠。然而，由于韌性和粘附性是相互矛盾的，高粘附性水凝膠通常韌性較弱，無法在保持良好機械性能的同時與材料表面牢固結合。因此，導電水凝膠的改進值得研究。研究成果
機器人想要與人類合作或模仿人類的動作，就需要各種柔性傳感器。柔性皮膚電極可用作人機接口（HRI），為機器人與用戶之間的感應互動提供機會。然而，傳統電極的皮膚附著力較低，無法應用于人類輔助機器人，尤其是皮膚表面的汗液會導致電極滑落甚至脫落。因此，酪蛋白鈉(SC)被用于改進聚丙烯酰胺（PAAM）水凝膠，以制造具有優異導電性和機械性能的
PAAM-SC 導電水凝膠。PAAM-SC 的強相互作用提高了其粘附性，其斷裂伸長率約為 3.000%。此外，它還具有極低的電阻<5
kΩ，可用于肌電圖（EMG）傳感。
合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院Zhao Shumi教授等人設計了具有四層結構的柔性皮膚電極。為了制造出用于手勢識別的柔性皮膚電極，研究人員使用3D打印機打印出具有結構柔軟、可拉伸絲狀蛇形圖案的高性能銀線，以連接外部電路和PAAM-SC導電水凝膠。基于變壓器網絡模型分析，交叉驗證的分類結果超過85%值得注意的是，PAAM-SC水凝膠作為機器人手指上的應變傳感器，能對機器人手指的運動做出快速反應。研究人員表示：“我們的策略將改善智能人機交互系統中柔性電子設備與人類皮膚之間的協調整合，當corobot配備PAAM-SC導電水凝膠時，機器人可以通過主動感知和匹配與人類進行無縫互動和協作。”
相關研究以“Flexible Skin Electrodes Based on Conductive Hydrogel for Hand Electromyography Sensing and Gesture Recognition”為題發表在IEE Systems期刊上。Figure 1. Both PAAM and PAAM-SC hydrogels for their structural characterization.Figure 2. A PAAM and PAAM-SC hydrogel electrical properties analysis.Figure 3. A PAAM-SC hydrogel adhesive test.Figure 4. PAAM-SC hydrogels as wearable sensors for human and robotic finger monitoring.Figure 5. An EMG array electrode fabrication.Figure 6. An EMG monitoring system.Figure 7. The transformer network model and the experimental results.總結與展望
總之，研究人員開發了基于 PAAM-SC 導電水凝膠的柔性皮膚電極用于手部肌電圖傳感和手勢識別通過添加不同含量的 SC，探索了 PAAM-SC 水凝膠的導電性和機械性能。雖然
PAAM-SC導電水凝膠對皮膚表面有很強的粘附性，但它可以從皮膚表面去除，不會有任何碎片殘留值得注意的是，PAAM-SC
水凝膠作為附著在機器人手指上的染色傳感器，能對機器人手指的運動做出快速反應。此外，其極低的電阻 （< 5
kΩ）也適用于肌電圖傳感。在這里，柔性皮膚電極被附著在人體皮膚上，以收集用于手部運動分析的高質量肌電信號。基于變壓器網絡模型分析，交叉驗證的分類結果超過85%。在未來的工作中，研究人員將嘗試建立一個手勢識別系統，用它來控制遠程操作的機器人手。
延伸閱讀：
《觸覺技術及市場-2024版》
《機器人傳感器技術及市場-2022版》
