浙江
我们都懂得运动对健康的重要性，它可以增强免疫能力，预防疾病。但在我们尽情奔跑的时候，是否意识到运动可能带来的伤害？软组织受损、脱水、抽筋……这些潜在的危险就藏在我们的运动背后。
让我们进入电生理学的世界，这是了解我们身体运动反应的关键。然而，在我们尽情挥洒汗水的同时，传统电极却面临着一大挑战——汗水和运动干扰，这成了我们最大的敌人，也是迫切需要突破的瓶颈。
电子皮肤现有不足
想象一下，Ag/AgCl凝胶电极，在诊所和家庭设备中随处可见，它收集微弱的生物电位信号，而凝胶则确保了电极与皮肤之间的密切接触。听起来挺完美的，对吧？但是，在现实世界的运动场景下，当皮肤因振动、伸展和出汗而变化时，情况就不一样了。结果呢？干扰频频，这些情况Ag/AgCl凝胶电极已无法胜任。开发能够用于个人健康管理、在运动过程中连续、准确采集电生理信号的皮肤电极是迫切需要的。
吸汗皮肤电极(SAE)面世
为了克服传统电生理电极缺点，北京师范大学刘楠教授，石河子大学彭邦华，王自军教授近期在期刊《Advanced Functional Materials》上联合发表了题为“A Sweat Absorbing Skin Electrode for Electrophysiology During Exercise”的文章（DOI: 10.1002/adfm.202314775），该工作提出了用于运动指导的吸汗皮肤电极（SAE）。它采用了Ti3C2TX气凝胶和两性离子聚合物的双导电网络，创造了一种可用于运动场景的电生理电极。Ti3C2TX气凝胶提供了导电的骨架，而两性离子聚合物则赋予了电极柔软、粘附、导电的特性。SAE在各种测试场景中都表现出色，远超商用的Ag/AgCl凝胶电极。
图1 SAE的微观形貌与应用
SAE的魔法
SAE有什么独特之处？不得不提到SAE的主要成分之一：两性离子聚合物。两性离子聚合物它不仅能吸汗，还能变形——更柔软、更粘、更导电。
结果呢?皮肤阻抗大幅度降低，电生理信号记录能力大幅度提升，具有高信噪比。不仅如此，由于吸汗后更软，更黏，更导电，因此它具有良好的抗运动伪影能力，完美适用于运动与出汗的实际应用场景。
图2 SAE/皮肤界面分析。
超越边界:SAE的广泛应用
SAE的能力不仅限于信号记录;它也可以成为评估肌肉疲劳的指路明灯。在评估运动过程中的肌肉疲劳时，我们需要一种可靠的方式来检测肌电信号，由于SAE的吸汗性质，它成为了评价肌肉疲劳与指导运动的有力候选者。作者通过分析多个指标，包括平均工频、中位频率、积分肌电信号等，成功评估了SAE用于肌电信号疲劳检测的可行性。值得一提的是，SAE检测到的肌电信号在表现出肌肉疲劳的同时，还能显示肌肉疲劳的程度，提供了更多的信息来判断运动效果。
图3 长时间和运动时的肌电检测与分析。
另一方面，作者还深入研究了商用凝胶电极难以实现的领域。将SAE与机器学习相结合，通过使用LSTM网络，为我们解开了肌电图与体脂率(BF)和身体质量指数(BMI)等生理指标之间的相关性。
图4 机器学习对肌电信号与人体生理特征的关联。
探索电生理学新天地
今日的旅程结束了。总结一下，SAE具有可靠、适应性强的多个优点，它为运动和康复训练提供了科学依据。在运动世界中，电生理信号无疑是有趣而又重要的，SAE是带我们深入探索身体运动的奥秘的重要一环。
北京师范大学刘楠教授，石河子大学彭邦华教授、王自军教授为本文通讯作者，北京师范大学化学学院博士生施潇虎，北京师范大学化学学院博士后宋德魁为该论文的共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金项目(22072006、22275022、22005036、T2188101)、北京市自然科学基金项目(JQ23002、2244095)的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202314775
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