《CEJ》西工大王腾蛟/吉博文：水下肌电信号持久采集的仿生海星管足水凝胶电极

随着对水下场景的日益关注，实时检测和分析水下肌电信号对水下康复、水下训练和潜水员安全监测等领域具有重要意义。然而，传统肌电电极由于电极和皮肤之间存在水合层易引起脱附，在水下应用性能有限。导电水凝胶由于其高含水量、低机械模量、良好的化学和生物相容性，以及高可调性，成为备受关注的可穿戴肌电电极材料。然而，大多数水凝胶在水下存在严重的溶胀行为，导致其三维网络结构失效，导电组分丧失，面临机械强度和韧性降低、导电性差、皮肤粘附性低等挑战，无法满足水下肌电信号采集的需求。此外，现有的水下肌电电极主要通过手臂记录肌电信号，而腕部采集更符合穿戴习惯，并且能够揭示更丰富的手部精细运动信息。

在海洋中，海星能够利用其管足在水下的岩石上行走，即连续粘附和脱离。其中海星纲动物的管足具有扁平的吸盘状结构，通过分泌粘附蛋白实现水下粘附。因此，本工作中设计了一种受海星管足结构启发的STFH电极，包括外部硅胶吸盘、内部微溶胀水凝胶和Ag/AgCl电极底座。微溶胀水凝胶DAT的制备包括DMAEA-co-AA水凝胶的合成、冷冻干燥、以及在TA溶液中浸泡改性三个步骤。防水硅胶吸盘部分隔离了外部水环境和水凝胶，通过负压以及利用水凝胶的微溶胀与吸盘的相互作用增强电极与皮肤的水下接触，以满足水下持续高质量采集肌电信号的需求。

图1. 仿海星管足水下肌电电极设计示意图

首先探究了最优浸泡TA溶液浓度，从机械性能、粘附性能、导电性能和抗溶胀性能四个方面进行表征。DAT-200（即200 mg/ml TA溶液）综合性能最优，TA沉积在聚合物骨架上，与原有聚合物网络形成氢键网络，赋予DAT水凝胶抗溶胀性能，为水下长时间工作提供基础。其中，DAT-200具有类皮肤的杨氏模量（22.4 kPa）在10 Hz处具有低皮肤接触阻抗（18.3 kΩ）。

图2. DAT水凝胶的电学性能与抗溶胀性能。a) DAT水凝胶的离子电导率，b) DAT水凝胶的皮肤接触阻抗，c) 10 Hz和100 Hz下DAT水凝胶和商用凝胶的接触阻抗，d) DAT水凝胶和商用凝胶接触阻抗的Nyquist图，e) DAT水凝胶与原始水凝胶的溶胀率，f) DAT水凝胶与原始水凝胶的溶胀情况，g) 浸泡一小时前后DAT水凝胶的剪切强度，h) 浸泡一小时前后DAT水凝胶的离子电导率，i) 浸泡一小时前后DAT水凝胶的压缩模量。

其次，通过力学仿真模拟验证微溶胀凝胶与外部吸盘相互作用对皮肤接触的促进作用。通过有限元分析和相关实验，研究了在干燥和膨胀状态下吸盘与凝胶下压时对皮肤的压力和力学行为，模拟结果与实验数据吻合良好。水凝胶溶胀时完全接触吸盘的内壁，整体顶部应力增加，应力集中减弱。同时，皮肤上的应力分布更均匀，且水凝胶和皮肤之间的接触面积增加，有利于肌电信号的记录。

图3. 电极下压过程力学仿真模拟。a) 干燥状态下的模拟模型，b) 干燥状态压缩时的 Von Mises 应力分布以及电极的照片，c) 压缩时皮肤接触区域的应力分布以及猪皮的照片，d) 溶胀状态下的模拟模型，e) 溶胀状态压缩时的 Von Mises 应力分布以及电极的照片，f) 溶胀时皮肤接触区域的应力分布以及猪皮的照片，g) 干燥状态在水凝胶上沿标记路径选择节点，h) 溶胀状态在水凝胶上沿标记路径选择节点，i) 水凝胶压力-位置分布图。

最后将STFH电极与OpenBci采集系统相连，用于水下肌电信号采集测试，并且将STFH电极与纯DAT-200凝胶电极、商用3M电极进行对比。在水下连续记录1小时后，由于电极能够随着凝胶溶胀不断增进与皮肤的接触，因此能够保持高质量的肌电信号，与其他电极相比具有高信噪比、低基线噪声的优势。此外，STFH电极具有抗波浪噪声能力，在水下电机工作环境中仍能保持高信号质量。因此，STFH电极能够实现稳定的水下肌电信号采集，未来有望与无线、小型化、便携式、防水肌电采集系统集成，以满足水下康复、水下训练等更多实际水下场景需求。

图4. 水下 sEMG 信号采集以及采集系统集成。a) 水下 sEMG 信号采集实验装置，b) 商业电极、DAT-200 水凝胶电极和STFH电极在 1 小时内记录的 sEMG 信号，c) STFH电极记录的 sEMG 信号的时频图，d) 不同电极在不同工作时长下的SNR和 e) 基线噪声，f) 水下电机噪声干扰实验装置，g) 三种电极记录的 sEMG 信号以及 h)干扰下的SNR，i) 将STFH电极与魔术贴、博睿康无线肌电采集系统集成，j) 与自研无线肌电采集腕带集成。

以上成果近期以“Starfish tube feet inspired hydrogel electrode for durable underwater sEMG acquisition”为题，发表在《Chemical Engineering Journal》期刊。第一作者为西北工业大学本科生叶元茗；通讯作者为西北工业大学王腾蛟副教授和吉博文副教授。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153882