南洋理工大学陈晓东教授AM：受蜜蜂启发的“热致粘弹性切换”技术实现高贴合脑电采集

脑电图（EEG）作为一种非侵入式的脑机接口（BCI）技术前景广阔，但其广泛应用一直受限于电极性能。传统湿电极虽然信号质量高，但需要手动涂抹导电膏，设置繁琐，且难以集成到可穿戴设备中；而干电极虽然使用方便，却难以穿透毛发与头皮形成共形接触，导致信号阻抗高、不稳定。如何在多毛的头皮上实现稳定、高质量的信号采集，同时保持可穿戴设备所需的便捷性，是领域内长期存在的挑战。

受蜜蜂筑巢行为的启发，南洋理工大学陈晓东教授、关存太教授和清华大学高小榕教授合作开发出一种热致粘弹性可切换电极（HIVE）。蜜蜂通过局部加热蜂蜡，可逆地改变其粘弹性状态，从而塑造出坚固的蜂巢。借鉴这一策略，HIVE电极整合了热响应明胶凝胶和嵌入式微型加热器，能够主动调控电极界面状态。在加热时，凝胶变为可流动的溶胶，渗透毛发并与头皮形成紧密共形接触；停止加热后，凝胶在体温下恢复为粘弹性状态，提供牢固粘附。该电极还具备基于实时阻抗反馈的闭环加热控制系统，实现了自适应准备。在稳态视觉诱发电位（SSVEP）范式中，HIVE的分类准确率可与金标准湿电极相媲美，并能成功应用于基于视觉的轮椅导航和高速文本输入等可穿戴BCI演示中，为头皮多毛表面的共形生物电子接口提供了全新的设计范式。相关论文以“Bioinspired Heat-Induced Viscoelasticity-Switchable Electrodes for Conformal Brain-Computer Interfaces”为题，发表在

Advanced Materials

这项创新的核心机制直观地体现在其设计原理图中。研究者从蜜蜂工蜂通过体温局部加热蜂蜡、使其在坚硬承重态与柔软可塑态之间可逆切换以筑造蜂巢的过程获得灵感。基于此，HIVE将热响应明胶凝胶封装于亲水海绵基质中，并集成了片上微型加热器。实际应用时，电极最初以固态凝胶形式置于头皮上；启动加热后，凝胶熔化成溶胶，流出海绵并渗透毛发，自适应地贴合头皮轮廓；停止加热后，凝胶冷却至体温并转变为粘弹态，从而提供持久稳定的粘附与电接触。

图1 | 用于多毛头皮贴合式脑机接口的仿生热致粘弹性可切换电极示意图。 a) 在蜂巢构建过程中，工蜂利用自身体温局部加热蜂蜡，可逆地将其粘弹性状态在刚性承载状态与柔软可塑状态之间切换。 b) HIVE将温敏明胶凝胶封装于海绵基质中，并结合电极上的微型加热器，主动调控凝胶的粘弹性。 c) HIVE在多毛皮肤上的原位热致贴合接触过程。（i）初始佩戴时，凝胶为固态，未与头皮贴合。（ii）加热使凝胶熔化，渗透毛发并贴合头皮。（iii）停止加热后，凝胶恢复至体温，变为粘弹性并产生强附着力。

为了确保电极的性能与可靠性，研究人员对其材料和结构进行了深入表征与优化。HIVE采用集成化设计，包含Ag/AgCl信号采集电极、金基加热电阻以及作为导电界面的凝胶-海绵复合材料。流变学测试表明，通过调节明胶、氯化钠和甘油的含量，可将凝胶的相变温度精确调控至约38°C，使其在略高于体温时熔化，并在体温下保持粘弹态以提供良好附着力。此外，研究团队开发了一种将商用疏水海绵转化为超亲水“水凝胶海绵”的方法，该海绵能通过毛细作用在凝胶熔化后仍将其有效锚定在电极上，防止其流失。对比实验显示，HIVE在毛发头皮上的阻抗与湿电极相当，远低于干电极，且其凝胶-海绵复合结构的粘附力随温度变化可调，实现了在储存时低粘附、在使用时高粘附的智能切换。添加的甘油有效防止了凝胶脱水，赋予了电极长时间使用的稳定性。

图2 | 用于自适应毛发界面接触的HIVE中粘弹性可切换凝胶与凝胶保持海绵。 a) HIVE的爆炸视图示意图。中央银/氯化银电极用于阻抗测量与脑电记录，镀金部件作为加热电阻。 b, c) 不同明胶含量（b）与氯化钠含量（c）的明胶凝胶在10°C至70°C升温过程中的储能模量与损耗模量。 d) 通过凝胶化反应将商业疏水海绵改性为水凝胶海绵的制备过程。改性前海绵接触角为116°±2°，改性后可快速吸收液滴。 e) 凝胶熔化后，海绵通过毛细作用将凝胶保留在电极上；而无海绵的电极在凝胶液化后会流失凝胶。为便于观察，凝胶已染色。 f) 可视化展示HIVE在毛发存在下的接触情况：加热后凝胶熔化并透过毛发与玻璃接触。 g) 干电极、湿电极与HIVE在多毛头皮上的阻抗谱对比。 h) 凝胶-海绵复合材料与无海绵凝胶在不同表面温度下的粘附力对比。 i) 不同甘油含量的明胶凝胶的脱水情况。

为实现用户友好的自适应操作，HIVE集成了智能闭环热控制系统。该系统通过微控制器实时监测电极-头皮阻抗，并以此反馈控制加热过程。当阻抗降至预设阈值以下时，加热自动停止，确保了高效与安全。红外热成像显示，电极采用分段加热策略（先连续加热120秒，后间歇加热），可在安全温度范围内快速达到并维持所需温度。在实际测试中，无论使用者头发长短疏密，该系统都能自动调整加热时间，使阻抗稳定降低至理想范围，整个过程可由用户独立完成。

图3 | 基于电极-头皮阻抗的闭环热控制，实现可穿戴脑机接口设备的自主准备。 a) HIVE在电加热过程中的红外热成像图。 b) HIVE内部温度分布的仿真结果。 c) 通过红外成像测得的HIVE表面中心温度变化。彩色区域代表加热阶段，120秒连续加热后转为间歇加热模式。 d) 用于设置与操作HIVE的智能手机应用界面。 e) 闭环控制系统示意图：根据实时阻抗反馈调节加热时长。 f) 用户佩戴四个HIVE电极（位于Pz、O1、Oz、O2位置）的照片。耳垂处的电极作为阻抗测量的对电极。 g) 微控制器在加热过程中测得的实时阻抗。当阻抗低于预设阈值时加热自动停止。 h) 不同发长使用者所需的加热时间，显示HIVE可根据用户发长自动调节加热时间。

最终的性能验证证明了HIVE在可穿戴BCI应用中的卓越潜力。在8目标SSVEP分类实验中，HIVE的分类准确率与湿电极相当（使用1秒数据即可超过90%），显著优于干电极。更重要的是，在长达8小时的连续记录中，商用湿电极因凝胶脱水导致性能在4小时后显著下降，而HIVE凭借其抗脱水特性始终保持高准确度。研究者进一步将HIVE与增强现实眼镜结合，开发了完全可穿戴的视觉BCI系统，使用者可通过注视不同频率的刺激目标，实时控制电动轮椅的移动。此外，系统还实现了40目标的SSVEP分类，可用于全键盘视觉打字，展现了其在复杂控制场景下的稳健性能。

图4 | 基于HIVE的高保真、长时程可穿戴视觉脑机接口系统及其辅助应用展示。 a) 八目标SSVEP实验示意图：屏幕上同时显示8个频率在8至15Hz间闪烁的目标，受试者按要求注视其中一个。 b) 在8Hz与12Hz视觉刺激下，使用HIVE记录的脑电波形。 c) 分类准确率与采样时间的关系：HIVE与湿电极准确率相当，干电极则显著较低。 d) 使用1秒采样时间时，HIVE与湿电极在8小时长时记录中的分类准确率变化。 e) HIVE在72小时长时使用中保持良好的分类准确率与低阻抗。 f) 基于增强现实眼镜显示的SSVEP可穿戴脑机接口系统。脑电功率谱密度图显示用户注视不同频率刺激时对应的信号响应，映射为控制电动轮椅的特定指令。用户可通过注视相应目标控制轮椅运动。

这项研究成功将自然界蜜蜂调控粘弹性的策略转化为一种实用的生物电子接口解决方案。HIVE电极融合了高信号质量、稳固粘附、长期稳定性、可重复使用和便捷操作等诸多优势，有效解决了在毛发皮肤表面进行高保真电生理监测的长期挑战。它不仅为可穿戴脑机接口的现实应用提供了切实可行的工具，也为在复杂多毛表面构建热调控共形生物接口确立了新的设计范式，有望拓展至人类、动物乃至植物的电生理监测等更广泛领域。